65纳米工艺下低功耗高线性度音频ΣΔ模数转换器的研究与实现

本论文设计了一款适合音频应用的低功耗、高线性度ΣΔADC。此ADC包含了高性能2-1级联单比特量化ΣΔ调制器和采用ROM、RAM设计的低功耗,高面积利用率数字抽取滤波器。此款ADC芯片采用中芯国际65nm 1P8M混合信号CMOS制作工艺,核心面积为0.581平方毫米。测试结果表明,本文设计的ΣΔADC在22.05kHz的音频带宽内,采样频率为5MHz时最高信噪失真比可达90dB,动态范围为93dB,在1.2V供电电压下功耗为2.2mW,同时实现了高性能与低功耗。     

2-1-1级联连续时间型ΣΔ调制器系统设计

高阶连续时间型ΣΔ调制器提供了一种有效的获得高分辨率、低功耗模数转换器的方法.提出了一种新型的2-1-1级联的连续时间型ΣΔ调制器结构.采用冲激不变法将离散时间型ΣΔ调制器变换为连续时间型ΣΔ调制器,利用Simulink对该调制器进行系统级建模和仿真,峰值信噪比达到105dB.分析了电路的非理想因素对调制器行为的影响,以获得90dB信噪比为目标确定了电路子模块指标.仿真结果表明,该结构能有效降低系统功耗,并验证了电路的可行性.     

一种高性能、低功耗音频ΣΔ调制器

设计了一个应用于18位高端音频模数转换器(ADC)的三阶低功耗ΣΔ调制器. 调制器采用2-1级联结构,通过优化调制器系数来提高其动态范围,并减小调制器输出频谱中的杂波. 电路设计中采用栅源自举技术实现输入信号采样开关,有效提高了采样电路的线性度;提出一种高能效的A/AB类跨导放大器,在仅消耗0.8mA电流的情况下,达到100V/μs以上的压摆率. 针对各级积分器不同的采样电容,逐级对跨导放大器进行进一步功耗优化. 调制器在中芯国际0.18μm混合信号CMOS工艺中流片,芯片核心面积为1.1mm×1.0mm. 测试结果表明在22.05kHz带宽内,信噪失真比和动态范围分别达到91dB和94dB. 在3.3V电源电压下,调制器功耗为6.8mW,适合于高性能、低功耗音频模数转换器应用.     

一种16位音频ΣΔA/D转换器(英文)

提出了一种16位立体声音频新型稳定的5阶ΣΔA/D转换器.该转换器由开关电容ΣΔ调制器、抽取滤波器和带隙基准电路构成.提出了一种新的稳定高阶调制器的方法和一种新的梳状滤波器.采用0.5μm5V CMOS工艺实现ΣΔA/D转换器.ΣΔA/D转换器可以得到96dB的峰值SNR,动态范围为96dB.整个芯片面积只有4.1mm×2.4mm,功耗为90mW.     

基于ΣΔ调制的Tetra基带前端设计

抗混叠滤波和模数转换器性能严重影响到后续接收机的数字处理。高分辨率A/D转换虽然可改善信号/量化噪声比,但也要求抗混叠滤波器有更低阻带衰减,致使其实现复杂、成本增加。在Tetra系统基带设计中,采用过采样ΣΔ调制可平衡高比特A/D转换与简单抗混叠滤波两者矛盾的要求。在分析ΣΔ调制的噪声整形基础上,针对Tetra系统要求,完成过采样3阶ΣΔ调制器及1/16降速抽取滤波器设计,MATLAB仿真验证了设计的正确和有效性,给出了相关的设计结果。     

应用于ΣΔADC的多级抽取滤波器面积有效实现方法

本文介绍了一种用于音频过采样模数转换器的多级抽取滤波器的面积有效实现方法。抽取滤波器的抽取倍数为256,通带波纹小于0.005dB,阻带抑制达到100dB。通带范围为0-20kHz,输出为48kHz的16比特信号。通过采用含RAM和ROM的面积有效架构,以及对一个运算周期中有效的指令调度,该抽取滤波器在XilinxFPGA上综合后仅使用了不到300个LUT和不到160个Slice。不同于串行或部分串行架构中运算速率通常大于输入采样速率的情况,该实现方法可使得运算速率和采样速率一致,从而简化整体ΣΔADC设计并降低功耗。架构中RAM和ROM的采用使得该抽取滤波器可编程,进一步可改进用于自适应滤波应用。最后,在Modelsim中的RTL仿真结果通过Matlab\Simulink程序进行了验证。     

84dB动态范围13b/400kHz/3V/5.88mW ΣΔ模数转换器

介绍了一个200kHz信号带宽、用于低中频结构GSM射频接收机的高精度ΣΔ调制器. 为了达到高线性和稳定性,调制器采用2-1级联单比特的结构实现. 电路在0.18μm CMOS工艺下流片验证,核心面积为0.5mm×1.1mm. 调制器工作在19.2MHz的采样频率,在3V电源电压下功耗为5.88mW. 测试结果表明,在200kHz信号带宽,过采样率为64的条件下,调制器达到84.4dB动态范围,峰值SNDR达到73.8dB,峰值SNR达到80dB.     

抽取滤波器的实现结构研究

为了减小模数转换器的功耗及芯片面积，通过对抽取滤波器原理的分析，设计了△-∑模数转换器中的数字抽取滤波器，利用结构简单的梳状滤波器和半带滤波器完成了有效结构实现，并结合Matlab工具对该滤波器进行了理论仿真、性能分析。结果表明，通过多级抽取，滤波器功耗和芯片面积都有大幅减少，有效降低了成本，并且能够实现256倍的抽取。     

一种14位、1.4 MS/s、多位量化的级联型ΣΔ调制器

在0.6 μm CMOS工艺条件下设计了一种适合DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone)标准的1.4 MS/s Nyquist转换速率、14位分辨率模数转换器的ΣΔ调制器.该调制器采用了多位量化的级联型(2-1-14b)结构,通过Cadence SpectreS仿真验证,在采样时钟为25 MHz和过采样率为16的条件下,该调制器可以达到86.7 dB的动态范围,在3.3 V电源电压下其总功耗为76 mW.     

一种低电压的Sigma-Delta ADC新结构

介绍了一种低电压Sigma-Delta ADC新结构,该结构采用了二阶单位增益ΣΔ调制器和一阶传统ΣΔ调制器相结合的方式,既可以从系统级降低对运放直流增益等非理想因素的要求,又可以减少加法器的个数、降低电路的复杂度。在此基础上,采用HJTC0.18μm1.8V/3.3V1P6M混合信号工艺,实现了一种1V工作电压的ΣΔ调制器,经测试动态范围可以达到69.5dB。     

一种ΣΔ音频DAC的设计

设计了一种用于移动通信终端的13bit,8kHz采样的ΣΔDAC。数字部分的ΣΔ调制器只用了2个加法器实现,占用芯片面积很小。通过直接驱动D类功放,芯片最大输出功率为98mW。仿真表明功放输出效率为86.2%,最大信噪比为80dB。     

80dB动态范围，用于低中频结构GSM接收机的ΣΔ调制器

介绍了一个200kHz信号带宽、用于低中频结构GSM射频接收机的高精度ΣΔ调制器.该调制器采用3阶单环单比特的结构,电路使用全差分开关电容结构实现,并在0.6μm 2P2M CMOS工艺下流片验证.调制器使用全差分±1V参考电压,工作在26MHz采样频率,过采样率为64.测试结果表明,在200kHz信号带宽内,调制器达到80.6dB动态范围,峰值SNDR达到71.8dB,峰值SNR达到73.9dB.整个调制器电源电压为5V,静态功耗为15mW.     

应用于音频芯片的高精度ΣΔ调制器设计

低阶单比特量化ΣΔ调制器简单稳定且特别适用于音频领域的模数转换器。提出了一款应用于音频芯片的二阶单比特量化ΣΔ调制器,利用Simulink对调制器进行建模并确定调制器参数与电路子模块指标。该调制器电路采用CSMC0.35μmCMOS工艺实现,工作的电源电压为5V,采用全差分开关电容技术,功耗为12mW,核心面积为390μm×190μm。在采样频率为12MHz、输入信号频率为20kHz时,调制器精度达到16bit,测试结果验证了设计技术和建模方法。     

一种1V 60uW 92dB 3阶连续时间Sigma-Delta 调制器

本文介绍了一个1V 3阶单比特连续时间Sigma-Delta（ΣΔ）调制器。该调制器采用SMIC 0.13um工艺,应用有源RC积分电路实现环路滤波器。本文提出并验证了一种连续时间Sigma-Delta调制器电路设计方法,电路设计效率大大提高。通过使用二级Class A/AB 运算放大器实现了调制器的低功耗性能。本文设计的调制器采用128倍的过采样率,在20K Hz的信号带宽内实现了91.22dB SNDR. 调制器工作在1V电源电压下,总的功耗只有60uW,而且有源芯片面积只有0.12mm2.     

12位Sigma-Delta模数转换器的降采样滤波器设计

一种由SNR（信噪比）驱动的滤波器设计,用于12位Sigma-Delta模数转换器。Sigma-Delta模数转换器包括Sigma-Delta调制器和降采样滤波器两部分,首先用Sigma-Delta调制器对信号进行过采样率量化,然后通过降采样滤波器进行数字信号处理,将信号还原到原始采样率并去除量化噪声。和传统的模数转换器相比,Sigma-Delta模数转换器具有采样率高、精度高、面积小等优点。Sigma-Delta模数转换器的滤波器设计有降采样率和滤波性能两个指标要求,该设计方法由SNR驱动并采用了两种滤波器方案,设计结果在MATLAB里进行了仿真,其SNR大于74 dB,达到12位Sigma-Delta模数转换器的要求。     

一种高性能、低功耗音频ΣA调制器

设计了一个应用于18位高端音频模数转换器(ADC)的三阶低功耗Σ△调制器.调制器采用2-1级联结构,通过优化调制器系数来提高其动态范围,并减小调制器输出频谱中的杂波.电路设计中采用栅源自举技术实现输入信号采样开关,有效提高了采样电路的线性度;提出一种高能效的A/AB类跨导放大器,在仅消耗0.8mA电流的情况下,达到100V/μs以上的压摆率.针对各级积分器不同的采样电容,逐级对跨导放大器进行进一步功耗优化.调制器在中芯国际0.18μm混合信号CMOS工艺中流片,芯片核心面积为1.1mm×1.0mm.测试结果表明在22.05kHz带宽内,信噪失真比和动态范围分别达到91dB和94dB.在3.3V电源电压下,调制器功耗为6.8mW,适合于高性能、低功耗音频模数转换器应用.     

0.18μm CMOS Σ-Δ ADC用数字抽取滤波器设计

采用标准0.18μm CMOS工艺,设计了一种应用于UHF RFIDΣ-Δ模数转换器的数字抽取滤波器,并完成其前后仿真、逻辑综合、布局布线及版图实现等全流程.该滤波器主要实现滤波和降采样功能,由梳状滤波器、补偿滤波器和半带滤波器级联组成.合理选择各级滤波器的结构、阶数并采用规范符号编码(CSD)对其系数进行优化.仿真结果表明:采样频率为64MHz,过采样率为32的二阶Σ-Δ调制器的输出1位码流经过该滤波器滤波后,信噪比达到53.8dB;在1.8V工作电压下,功耗约为15mW.版图尺寸0.45mm×0.45mm,能够满足RFID中模数转换器的要求.     

用于微机械陀螺表头信号采集的∑ Δ ADC设计与实现

为实现微机械陀螺表头信号的高精度采集,采用基于过采样原理的∑-Δ 模数转换器（ADC）作为模数信号转换单元是一种新的选择。为此设计了一种二阶带通连续时间的∑ -Δ ADC,该 ∑-Δ ADC由二阶带通连续时间∑-Δ调制器和数字抽取滤波器组成。其中数字抽取滤波器通过两级抽取滤波实现,第一级是梳状滤波器（CIC）,第二级是有限冲击响应（FIR）补偿滤波器。通过Matlab/Simulink建模仿真和电路实验验证了所设计的∑-Δ ADC能对简化的微机械陀螺表头信号进行有效采集,仿真得到带内信噪比约为104 dB;经电路实验测得带内信噪比约为87 dB。     

用于微机械陀螺表头信号采集的∑-Δ ADC设计与实现

为实现微机械陀螺表头信号的高精度采集,采用基于过采样原理的∑-Δ模数转换器(ADC)作为模数信号转换单元是一种新的选择。为此设计了一种二阶带通连续时间的∑-ΔADC,该∑-ΔADC由二阶带通连续时间∑-Δ调制器和数字抽取滤波器组成。其中数字抽取滤波器通过两级抽取滤波实现,第一级是梳状滤波器(CIC),第二级是有限冲击响应(FIR)补偿滤波器。通过Matlab/Simulink建模仿真和电路实验验证了所设计的∑-ΔADC能对简化的微机械陀螺表头信号进行有效采集,仿真得到带内信噪比约为104dB;经电路实验测得带内信噪比约为87dB。     

一种采用数字激励测试的MASH结构ΣΔ模数转换器

介绍了一种采用数字激励源测试的MASH(MultistAge noise SHaping)2-2结构ΣΔ模数转换器。为了简化测试过程,降低测试成本,该模数转换器加入辅助测试电路,无需高精度的测试仪器,仍可测得ΣΔ模数转换器性能参数。文中对采用数字激励源测试的原理进行阐述,并对MASH2-2结构ΣΔ模数转换器进行设计。该转换器采用1st Silicon0.25μm1P4M工艺,在电源电压3V,过采样时钟频率6.144MHz的条件下,利用传统的模拟测试和数字激励源测试证明其在0~20kHz频率范围内,SNDR>89dB。测试的结果证明了采用数字激励测试方案的正确性。