（微电子学与固体电子学专业论文）全集成收音芯片内嵌dac设计.pdf

川i i ii i ii iiiiiii iii i1 11 y 17 5 3 2 9 0 t h e d e s i g n o fe m b e d e dd a cf o r f u l l y i n t e g r a t e dr a d i oc h i p at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z h uj i a f e n g s u p e r v i s e dbysupervisedb y p r o f w uj i a n h u i s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g so u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特5 l , l m 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丝塑垒日期：兰叟丛：墨：堑 ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：丝建垒导师签名：日期：呈! 丝：呈：多 摘要 摘要 音频数模转换器( d a c ) 广泛应用于手机、汽车电子、多媒体和各类消费类电子产品中，具有很大的 市场前景。随着系统集成要求的进一步提高，音频d a c 通常作为i p 核集成于s o c 芯片内。论文研究的 音频d a c 模块集成于f m 全数字接收芯片中，而且经过适当的改进可以作为独立的l p 核或专业的音频 d a c 芯片，这两个方向目前都有广泛的市场应用前景。 论文根据音频d a c 高精度要求，综述了现有的过采样数模转换技术，选用过采样一技术实现1 6 位d a c 。一数模转换器由数字插值滤波器、数字一调制器、低精度d a c 和模拟低通滤波器等模块组 成。论文详细分析了一调制器、插值滤波器原理及模拟电路对于音频d a c 系统的噪声贡献。比较分析 了多种调制器结构，选用2 阶单比特多反馈环结构，在满足性能的前提下，保证了模拟后端的线性度；插 值滤波器采用c s d 编码方式实现，节省了硬件开销，降低了电路功耗；模拟后端电路采用直接电荷转移的 开关电容电路实现数模转换，降低了对运放的要求。 论文基于s m i c0 1 3 i t m1 2 v 电源电压c m o s 工艺完成了电路和版图的设计，版图面积为 7 0 0 岬9 0 0 叫1 ( 模拟部分) 和9 0 0 p m x l 2 0 0 p r o ( 数字部分) 。经过仿真验证，峰值的信号噪声失真比( s n d r ) 为 71 8 d b ，动态范围( d r ) 为8 2 d b ，d a c 整体功耗约为4 6 m w ，满足系统设计要求。 关键词：频率调制；一数模转换器；插值滤波器；调制器；低通滤波器。 a b s t r a c t a b s t r a c t a u d i od i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) i sw i d e l yu s e di nm o b i l ep h o n e s ，c a r s ，m u l t i m e d i a sa n do t h e r c o n s u m ee l e c t r o n i cd e v i c e sa tp r e s e n t w i t ht h er e q u i r e m e n to fh i 【g hi n t e g r a t i o n ，a u d i od a c sa r eu s u a l l y i n t e g r a t e di nt h es o cc h i pa si pc o r e s a ne m b e d d e dd a c f o raf u l l y - i n t e g r a t e df mr e c e i v e ri sd e s i g n e di nt h i s t h e s i s ，w h i c hc o u l db ep r o p e r l ym o d i f i e di n t oi pc o r e so rs p e c i a la u d i od a cc h i p si no r d e rt om e e tt h en e e do f m a r k e t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fh i g hr e s o l u t i o nd a c s ，o v e r s a m p l i n gs i g m a - d e l t at e c h n o l o g yi sc h o s e nf o ra 16 b i td a ci nt h i st h e s i s as i g m a - d e l t ad a ci su s u a l l yc o m p o s e do fd i g i t a lp a r t s ( a ni n t e r p o l a t o ra n da s i g m a - d e l t am o d u l a t o r ) a n da n a l o gp a r t s ( al o w r e s o l u t i o nd a ca n dal o w - p a s sf i l t e r ) t h en o i s ec o n t r i b u t i o n f r o ma n a l o gc i r c u i t sa n dt h ep r i n c i p l eo fs i g m a - d e l t am o d u l a t o r sa n di n t e r p o l a t o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l as e c o n d o r d e rm o d u l a t o rw i t hm u l t i p l e l o o pf e e d b a c ka n dl - b i to u t p u ti sa p p l i e df o rh i g hl i n e a r i t y i no r d e rt od e c r e a s et h e c h i pa r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o n , c s d ( c a n o n i cs i g n e dd i g i t ) c o d i n gi su s e di nt h ei n t e r p o l a t o r t h e na n a l o g c i r c u i t so ft h es i g m a - d e l t ad a cm a k eu s eo fad i r e c tc u r r e n tt r a n s f e r ( d c t ) s w i t c hc a p a c i t o rc i r c u i t , w h i c h d e c r e a s e st h er e q u i r e m e n to fo p e r a t i o na m p l i f i e r s t h ed a cc h i pi sb e i n gm a n u f a c t u r e di ns t a n d a r ds m i co 13 1 x m 1 2 一vc m o sp r o c e s s t h ec h i pa r e ao f s i g m a - d e l t ad a ci s7 0 0 1 a m x 9 0 0 p m ( a n a l o gp a r t ) a n d9 0 0 1 a m x l 2 0 0 p m ( d i g i t a lp a r t ) t h ep o s t - s i m u l a t i o ns h o w s t h a ts n d k a ka n dd ra r e7 1 8 d ba n d8 2 d br e s p e c t i v e l y t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni s4 6 m ww h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n to fl o w - p o w e rd i s s i p a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：f m ；s i g m a - d e l t ad a c ；i n t e r p o l a t o r ；m o d u l a t o r ；l o w - p a s sf i l t e r n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i e jj 录i l i 第一章绪论一1 1 1 论文背景及意义1 1 2 音频d a c 发展历史及现状。1 1 3 国内外音频d a c 研究情况。2 1 4 论文的主要工作3 1 5 论文安排3 第二章过采样d a c 原理4 2 1d a c 静态特性4 2 2d a c 动态性能5 2 3 过采样一ad a c 。5 2 4 本章d 、结8 第三章一d a c 系统设计。9 3 1f m 音质概述9 3 2 系统方案设计9 3 3 本章小结1 3 第四章电路设计14 4 1 插值滤波器设计1 4 4 2 调制器设计2 4 4 3 开关电容d a c 设计31 4 4r c 低通滤波器设计3 9 4 5d a c 电路联合仿真4 3 4 6 本章小结4 4 第五章版图设计、仿真结果及分析4 5 5 1 版图设计及实现4 5 5 2 后仿结果及分析4 7 5 3 本章小结4 9 第六章总结与展望5 0 参考文献5 1 致谢5 4 作者简介5 5 i i i 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍论文的研究背景，详细阐述本论文的研究意义，然后概况介绍相关研究历史及现状，最 后本章将阐明论文的研究内容和组织架构，给出本论文的主要贡献。 1 1 论文背景及意义 在2 0 0 6 年颁发的国家中长期科学和技术发展纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中，国家确定未来1 5 年里力 争突破的1 6 个重大技术专项，第一项就是核心电子器件、高端通用芯片及基础软件。但从2 0 0 8 年第三季 度开始，国内各主要集成电路企业均不同程度的受金融危机的影响，订单减少，产能利用率大幅下降，为 2 0 0 0 年以来首次出现负增长的年份，究其原因主要是产业缺乏自主知识产权的核心技术。为促进集成电路 的发展，工业和信息化部电子信息司2 0 0 9 年颁布了电子信息产业调整和振兴规划。集成电路产业作为 电子信息产业的核心和基础，是规划中重点支持的产业之一，其中重要的一个任务就是推动高端通用 芯片的设计开发和产业化。因此从国家的长远目标看，开发高端通用芯片对国内l c 产业发展具有重大意 义。 本论文研究的音频d a c 应用于调频( f m ) 接收芯片，整个f m 接收芯片采用全集成的低功耗设计， 解调与解码都是数字实现。f m 接收芯片可以应用于数字调频广播收音机，车载电台，手机和m p 4 收音机 等领域，具有广阔的市场前景。国外大公司已经推出多款高性能f m 芯片，包括德州仪器推出的s i 4 7 系列， 飞利浦公司推出的n e 6 0 5 等。国内也有部分公司推出f m 接收芯片，做得比较好的就是锐迪科的r d a 5 8 0 0 系列。国内具有自主研发高端芯片的公司和研究机构都比较少，与国外的芯片设计还有很大差距，因此研 发具有自主知识产权的集成电路芯片可以打破国外的垄断，具有重大的意义。 f m 内嵌的音频d a c 模块经过适当改进可以应用到其他音频设备，具有优越的移植性，因此设计f m 内嵌的音频d a c 可以为后续音频产品开发奠定良好的基础，为设计高性能的音频d a c 提供了有利条件。 数模转换器( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ，简称d a c ) 是一种将输入的数字信号转换成模拟信号的器 件，广泛应用于数字通信、自动控制、数字多媒体和自动检测等领域。数字多媒体近几年发展非常迅速， 如m p 3 、c d 、d v d ，汽车音响等，成为消费电子的热点。同时随着集成电路工艺和设计水平的提高，有 条件以相对较低的成本大规模数字电路来实现高精度的运算，因此研究音频系统中数模转换器芯片具有广 泛的现实意义。 目前，生产数模转换器最著名的厂家包括：德州仪器( t i ) ，模拟器件公司( a d i ) 和美国国家半导体 ( n i ) ，这三家公司都有成熟的完整系列d a c 。而欧胜( w o l f s o n ) 公司一直致力于音频d a c 设计，目前 为止也有完善的音频d a c 产品。除此之外，美信( m a x i m ) ，摩托罗拉( m o t o r o l a ) ，日本电气( n e c ) 等 国外公司也有数模转换器产品。对于国外的研究机构和学校，音频d a c 的研究相对比较成熟，他们的研 究主要趋向于低功耗、高精度数模转换器。 国内一些高校也对高分辨率数模转换器进行研究和设计，包括复旦大学，清华大学，浙江大学，上海 交通大学等。国内专门从事数模转换器设计的公司也很多，包括四川登巅微电子有限公司，上海捷顶微电 子有限公司等。国内的研究机构和公司也设计出一些音频d a c ，但距离国外大公司的产品还有一定差距。 基于目前国内外发展状况，设计具有自主知识产权的商用芯片对于打破国外垄断具有重要的现实意 义。论文结合目前国内芯片市场和研发能力，设计f m 收发芯片内嵌的音频d a c ，具有一定的现实意义和 商业应用前景。 1 2 音频d a c 发展历史及现状 为了得到高性能音质，高端音频d a c 通常需要1 6 2 4 位的精度，而音频信号频率范围为2 0 h z - 2 0 k h z 。 传统的基于奈奎斯特采样率的数模转换器中，计数型数模转换器和积分型数模转换器【1 ，2 1 可以实现这么高 的精度，但这两种数模转换器完成n 位数据转换最长需要2 n 个周期，因此转换速度太慢，对于音频处理 来说不易实现。其它类型的奈奎斯特采样率数模转换器需要高精度的模拟元件，这样高的精度即使使用非 常昂贵的激光校准技术也很难达到【3 1 。而过采样率一数模转换器可以实现高精度数据转换，不用精确匹 东南大学硕士学位论文 配模拟元件，在精度和速度之间可以实现一个较好的平衡，因此成为音频d a c 的主流技术，利用先进的 数字技术降低对模拟元件的要求，降低了开发周期和设计成本。 一数模转换器关键就是调制技术，而一调制技术1 4j 从概念的提出到现在已经有半个世纪。1 9 6 2 年i n o s e 等人【5 】提出通过反馈提高数据转换器精度，这是噪声整形概念第一次被提出，但是由于当时集成 电路规模小，导致利用数字电路换取模拟电路精度的方法没有应用价值，所以很长时间内没有大进展。而 1 9 7 4 年r i t c h i e 等人1 6 1 提出一个基于误差反馈结构的插值d a c ，1 9 8 6 年c a n d y 和h u y n h1 7 1 将误差反馈的概 念扩展到二阶系统，用m a s h 技术结合两个一阶环路滤波，从而实现二阶的噪声整形。1 9 8 7 年n a u s 等人 【8 j 发表了一个1 6 位单级的二阶一数模转换器。1 9 9 1 年s o o c h 等人【9 1 使用5 阶环路滤波器设计一个1 8 位数模转换器。另外，多位输出的调制器也被提出，c a r l e y 和k e n n e y l l 0 j ，s c h o u w e n a a r s 等人j ，x u 等人 1 1 2 相继对多位调制器技术进行了完善。1 9 8 8 年，l a r s o n 等人【l3 】提出了数字纠错技术，纠正技术大大提高 了一调制器中内部多位量化器的线性度。同时，c a r l e y 和k e n n e y 提出了动态元件匹配方法i l 4 | 。随后， l e u n g 和s u m o a 【1 5 】，s t o r y1 1 6 】，j a c k s o n i l7 j 等人也提p c , 了其他多种失配整形算法，从而完善了多位输出一 调制器的实现。 目前，音频d a c 研究主要集中于在先进工艺下，不断降低电源电压，不断降低功耗和面积。降低功耗 存在很多设计技术，可以采用减少一调制器的过采样率，使用更高阶和更多输出位的调制器来保证d a c 性能。另外，音频d a c 和音频功放的单芯片集成也是现在发展的一个趋势。 国外许多公司都已经推出了高品质的一d a c 芯片，如a d i 的1 8 系列。现在更多的公司将音频解 码芯片和音频d a c 集成于单芯片上，如飞利浦u c b l 4 0 0 ，单芯片实现声音的处理和播放，大大降低外围 元件的需要，降低系统开发的成本。 而国内在高精度音频d a c 设计方面与国外还有一定的差距，仅部分研究机构和公司有一定的研究。产 品方面，国内珠海炬力公司有单芯片集成的音频解码和音频d a c 的s o c 芯片，但性能和集成度与国外高 端产品相比还有部分差距。 1 3 国内外音频d a c 研究情况 国外，在2 0 世纪9 0 年代音频d a c 的研究已经相对比较成熟，t t a n a k a 等人i l 州在1 9 9 1 发表了一篇关 于1 8 b i t 音频d a c 的论文，采用5 阶l 位输出的一调制器，而r i c h a r ds c h r e i e r l l 9 也分析了高阶1 位输 出的调制器。a k m 半导体公司的l c h i r of u j i m o r i 等人在1 9 9 8 年发表了一篇论文，设计了一款1 8 位d a c ， 采用高阶多位输出调制器，1 5 v 电源电压，功耗只有4 1 m w 。 最近几年，国外的音频d a c 逐渐向低压低功耗的方向发展，而且在特定应用中，将音频功放也集成 于单芯片。意法半导体公司( s t m i c r o e l e c t r o n i c s ) v i t t o f i oc o l o n n a 等人1 2 1 1 2 0 0 5 年发表一篇关于2 4 位d a c 的论文，单通道芯片面积只有0 2 2 m m 2 ，功耗在7 2 5 m w 。2 0 0 8 年k h i e mn g u y e n 等人i “j 发表一个2 4 位 d a c ，单通道芯片面积0 5 5 m m 2 ，功耗只有1 1 m w 。a k m 半导体公司l c h i r of u j i m o f i 等人1 2 刮发表一个2 4 位高性能d a c ，动态范围为1 2 0 d b ，音频功放、d a c 共用一个运算放大器，从而可以直接驱动负载。s t m 半导体公司c r i s t i a n om e r o n i 等人1 2 4 1 2 0 0 3 年发表了一篇关于集成a b 类功放d a c 的论文，可以提供4q 负 载大约4 0 w 功率，单芯片实现了大功率的驱动能力。 在工业界，国外有很多优秀的集成电路设计公司，比如a d i ，t i ，p h i l i p s 等，这些公司都有一系列的 音频d a c 产品，相对比较成熟。同时还有一些公司重点致力于音频d a c 的开发，如w o l f s o n 等，这类公 司有很强的设计和研发能力，从低端应用到高性能音频应用领域都有系列产品，由于优越的性能，这些公 司在音频领域几乎居于统治地位。 相比之下，国内在集成电路领域起步比较晚。2 0 世纪9 0 年代，国内集成电路的设计研发还主要处于 学习研究阶段，音频d a c 集中在低端芯片领域。近十年内，国内的研究机构和一些公司对音频d a c 芯片 有了一定研究。理论研究方面，模拟和数字一调制器设计和仿真有深入研究，涌现出一些研究论文1 2 5 2 6 1 。 音频d a c 方面，国内的高校也逐渐积累了这方面的集成电路设计，如复旦大学1 27 | ，浙江大学1 2 8 1 ，电子科 技大学【2 w ，上海交通大学p u j 等。复旦大学和浙江大学已经有成功的音频d a c 芯片，但只是处于低端应用 领域，有待后续的工业量产。音频d a c 芯片工业领域，国内致力于音频d a c 芯片的公司比较少，其中做 得最好的就是珠海炬力集成电路设计有限公司，他一直从事音频产品的开发，通常将音频数字解码和音频 d a c 单芯片集成，而且其产品在国内也有定的市场占有率。 2 第一章绪论 1 4 论文的主要工作 本论文的主要工作是综述了一a 调制器的原理，在理解音频d a c 工作原理的基础上设计f m 接收芯 片内嵌的音频d a c 芯片，同时完成数字和模拟部分的混合仿真，最终完成了1 6 b i t ，3 2 k h z 的内嵌音频d a c 的设计。论文设计音频d a c 的相关性能：处理的音频带宽为2 0 h z 一1 5 k h z ，采样频率为3 2 k h z ，信噪失 真比( s n d r ) 达到6 8 d b ，总谐波失真( t h d ) 小于0 5 ，功耗低于5 m w 。具体工作如下： ( 1 ) 分析过采样音频d a c 的技术指标和工作原理，主要介绍一调制器的原理，深入理解系统中各 个模块的具体设计方法。 ( 2 ) 在充分理解f m 接收芯片性能指标的基础上，完成音频d a c 的架构和系统设计，对各个模块进 行指标确定。 ( 3 ) 分析音频d a c 的各个模块，完成各个模块的设计与仿真，包括数字部分：插值滤波器和一调 制器，模拟部分：低精度d a c 和模拟低通滤波器，着重分析了模拟部分的噪声贡献。 ( 4 ) 对数字和模拟部分进行混合仿真，并分析仿真参数，和现有商用f m 接收芯片参数进行了比较。 1 5 论文安排 论文重点是f m 接收芯片内嵌的音频d a c 设计，分析了音频d a c 的系统指标，详细推导了模拟部分 的噪声特性，对d a c 中各个模块进行电路设计和仿真，最后完成d a c 的整体仿真和版图设计。论文的组 织结构如下： 第一章：介绍了论文的背景和研究意义，回顾了音频d a c 的发展历史和国内外的研究情况，然后总 结了本论文的主要工作。 第二章：首先给出d a c 常用的性能参数，介绍本论文采用的过采样- ad a c 的工作原理，以及调 制器的理论分析。 第三章：针对f m 接收芯片的具体应用分析一音频d a c 的系统指标和设计方案，并对设计方案进 行系统分析。 第四章：介绍了d a c 中数字模块插值滤波器和调制器的基本原理，并在此基础上设计和分析这两个 模块，用v e r i l o g 实现插值滤波器和调制器，接着详细分析了开关电容电路和模拟低通滤波器的噪声特性， 然后给出具体的电路实现和仿真各个模块的性能指标，最后对整个d a c 电路进行性能仿真。 第五章：分析了模拟电路和数模混合电路的版图设计注意点和后仿方法，给出整个d a c 仿真的参数 指标并对结果进行分析。 最后对本论文所做的工作进行了总结和展望。 3 第一二章过采样d a c 原理 第二章过采样d a c 原理 过采样d a c 也就是- ad a c ，其基本理论是噪声整形，用速度来换取高的精度。与奈奎斯特采样 率d a c 不同，过采样d a c 提高对输入信号的采样频率，然后对噪声进行整形，从而提高低频信号带宽内 的有效精度，实现速度与精度的转换。 使用或设计数模转换器，需要了解数模转换器的参数。这些参数包括静态特性、动态特性等，这一章 首先讨论这些基本参数的定义，然后针对本论文的研究，着重介绍过采样d a c 的原理，奈奎斯特类型的 d a c 的工作原理及分类请参考其他相关资料，本文将不再赘述。 2 1d a c 静态特性 d a c 中由于元件值的非理想性使输出的值与对应的理想值有偏差，静态特性就是反映这类静态误差。 静态特性【3 1 1 包括失调误差( o f f s e te r r o r ) 、增益误差( g a i ne r r o r ) 、积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) 、微 分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ) 和单调性误差( m o n o t o n i ce r r o r ) 。 1 、失调误差 d a c 的失调误差是指在实际芯片模拟输出的起始值与理想起始值之间存在的差值，如图2 1 所示，图 2 1 仅考虑失调误差影响的d a c 传输特性。失调误差通常用满量程的百分比或最低有效位l s b 为单位来 表示。电路设计中，可以通过特性曲线垂直平移来消除该误差。 数字输入 图2 1 失调误差 溢 盘 巷 雎 + 增益 数字输入 图2 2 增益误差 2 、增益误差 增益误差指数模转换器传输特性曲线的实际斜率和理想斜率之间的偏差，如图2 2 所示，图2 2 仅考 虑增益误差的影响。增益误差和数模转换器的输出成比例，即误差的大小随着码字的增大被按照一定的比 例放大，因此增益误差也存在另一种表示方法，即当失调误差纠正后，增益误差也可以表示为满量程输出 时实际值与理想值之间的偏差。增益误差通常用满量程的百分比或l s b 为单位来表示。 3 、微分非线性 微分非线性( d n l ) 是指相邻两个数字编码模拟输出的差值与理论的增量1 l s b 之间的差值。即： d n l = 相邻编码实际测量的差值一i l s b ( 2 1 ) 微分非线性测量的是每位相对于理想输出台阶的偏移量，而不是在整个输出范围上的比较。而d n l 是数模转换器一个重要的静态参数，一般要求该参数的绝对值在0 5 l s b 内。如果d n l i l s b ， 数模转换器将出现非单调性，即输出不再是输入数字编码的单调增函数。反之，如果d n l i l s b ，数 模转换器将出现失码。这两种情况在实际应用中都是需要尽量避免的。 4 、积分非线性 积分非线性( i n l ) 是指在一定的数字编码输入下，实际输出的模拟值与理论值之间的差，即： 4 东南人学硕士学位论文 1 n l = 测量值一理想值 ( 2 2 ) i n l 描述的是在整个输出范围上的最大偏移，也可以说积分非线性是微分非线性单方向的积累，表达 式即为： 足 = n l o + 吣 ( 2 3 ) 微分非线性描述的是相邻数字变化时引起的模拟值的变化，它表示一种微观参数。而积分非线性 描述的是模拟输出值的线性度，即转换特性曲线上某点对理想直线的偏离情况，它表示一种宏观参数。 5 、单调性 单调性( m o n o t o n i c i t y ) 是指当数模转换器的数字输入信号在其量程范围内增加时，模拟输出在一 个转换台阶和下一个台阶之间不会出现下降，也就是单调性数模转换器的传输特性曲线的斜率从不为 负。正如前面d n l 的分析，当d n l 8 ) 的数模转换器称为过采样数模转换器；o s r 较小( o s r 2 8 = 2 5 6 。以上讨论只是考虑了量化噪声，实际还存在其他噪声和非线性的问题， 因此在上面的例子中，数模转换器其他噪声谱密度必须小于带内的量化噪声谱密度，而转换器本身的线性 度也必须达到1 6 b i t 精度。 无限增大o s r 对于实现高精度d a c 是不切实际的，首先，提高过采样率，增加了电路的工作频率， 则增加了系统的功耗；其次，时钟频率不能无限的高，所以在给定的最高时钟频率和o s r 下，就必须对 信号的带宽进行限制，从而限制了过采样d a c 对宽带信号的应用；另外，过采样率的提高也带来了数字 插值滤波器的硬件消耗，必须有个折衷。由于存在上述缺陷，仅通过增加采样率来提高d a c 有效精度是 不实际的。 2 3 2 过采样- ad a c 原理 在前面的讨论中可以看出，o s r 每增加一倍，d a c 的有效精度仅提高0 5 b i t ，因此单纯通过o s r 来 提高性能是不可取的。为了克服上述问题，可以加上噪声整形，数模转换器带来的量化噪声频谱被推到信 号带外，从而提高s n r ，这就减少了对o s r 的要求【2 8 】。 频谱1 频谱2 频谱3 频谱4 频谱5 频谱6 图2 5 一d a c 频谱图 图2 5 给出了d a c 各模块输出的频谱图( 仅考虑单边频谱) 。假设信号带宽为f b ，奈奎斯特采 样频率为f s ，过采样频率为f o ，则过采样率的倍数就为f d f s ，频谱1 表示奈奎斯特输入信号的频谱图，信 号带宽限制在f b 频率范围内；频谱2 表示信号被插值后频率提高到f o = o s r * f s ，频域上也就是表现为：在 直流到频率f 0 范围内，产生了( o s r 一1 ) 个输入信号的镜像；为了降低对调制器和模拟滤波器的要求， 插值器也必须包含滤波器功能，通常是插值后再滤波，理想情况下可以完全消除镜像，如图2 5 中频谱3 所示：调制器把n 位输入信号截断到m 位，这会引入大量的截断误差，但是由于调制器对于量化误差是 高通传输特性，所以截断误差产生的噪声被推到信号频带外，其频谱如图2 5 中频谱4 所示；m 位d a c 工作频率仍然是f o ，而其本身就具有采样保持特点，因此频谱需要考虑s i n c 函数滤波，如图2 5 中频谱5 所示，低位数模转换器实现起来简单，大大降低模拟的设计复杂度，而且低位数模转换器比较容易实现高 线性度，降低模拟部分对线性度的总体要求；模拟滤波器滤除掉信号的带外噪声和镜像信号，使m 位数模 转换器的输出信号平滑，理想的输出波形如图2 5 中频谱6 所示。 7 第二章过采样d a c 原理 2 4 本章小结 本章介绍了数模转换器的参数指标，包括静态特性和动态特性，详细阐述了过采样d a c 与奈奎斯特 d a c 的区别，并对过采样d a c 中过采样特性和一原理进行分析，介绍了过采样一d a c 的基本概 念。 8 第三章d a c 系统设计 第三章- ad a c 系统设计 由第二章中图2 3 可得，一d a c 是一个比较大的系统，实际设计中必须考虑各个模块间的折衷和 性能要求，系统设计就是从一d a c 整体特性出发，确定各个模块的性能参数。本章将根据f m 接收芯 片要求，得到满足音质要求的- ad a c 特性，而且由于f m 接收芯片通常由电池供电，必须考虑功耗问 题。 3 1f m 音质概述 系统参数分析需要综合考虑两方面：( 1 ) 调频f m 广播对音质的要求，( 2 ) d a c 系统分析来达到音质 要求，一般以“够用，又不浪费”为原则。 本论文研究的音频d a c 用于调频广播f m 接收芯片，因此需要考虑调频广播对音质的要求和规范。 目前，业界公认的声音质量标准分为4 级，即数字激光唱片c d 质量，其信号带宽为1 0 h z - - 2 0 k h z ；调频 广播f m 质量，其信号带宽为2 0 h z 一1 5 k h z ；调幅广播a m 质量，其信号带宽为5 0 h z - - 7 k h z ：电话的话 音质量，其信号带宽为2 0 0 h z - - 3 4 0 0 h z 。可见，数字激光昌片c d 的声音质量最高，而调频广播f m 音质 要求相对低一些，因此本论文需要考虑的音频带宽为2 0 h z 一1 5 k h z 。 音频信号的用途不同，采用压缩的质量标准也不一样。如电话质量的音频信号采用国际电信联盟 i t u t g 7 11 标准，8 k h z 取样，8 b i t 量化，每声道码率6 4 k b p s ；a m 广播采用i t u t g 7 2 2 标准，1 6 k h z 取样，1 4 b i t 量化，码率2 2 4 k b p s 。对于本论文调频f m 应用，采用1 6 b i t 量化，3 2 k h z 采样率，码率5 1 2 k b p s 。 对模拟音频来说，再现声音的频率成分越多，失真与干扰越小，声音保真度越高，音质也越好。国际 电工委员会规定：f m 立体声调谐器的总谐波失真的最低要求为1 5 ，实际上做到0 5 以下，而信噪比 ( s n r ) 通常需要大于6 5 d b ，实际设计时选择6 8 d b 。 根据上面的音频标准，可以确定f m 内嵌的音频d a c 主要指标，如表3 1 所示。 表3 1f m 内嵌音频d a c 性能 性能信号带宽采样率位数信噪比总谐波失真 本论文 2 0 h z 一1 5 k h z 3 2 k h z1 6 b i t6 8 d b 0 5 3 2 系统方案设计 根据前面分析得到的f m 内嵌d a c 主要性能指标，需要对一d a c 做模块的性能参数分析，并折 衷考虑数字和模拟部分，在满足性能的前提下，降低实现的功耗。 3 2 1 设计原则 1 、模拟参数折衷分析： 在系统分析中，一ad a c 主要考虑调制器的阶数、过采样率、性能和功耗的折衷，以及数字和模 拟部分设计复杂度的权衡。这里先考虑不同阶数和过采样率情况下，理想调制器所达到的性能。 由文献【4 5 】可得，当输入信号为满摆幅的l 2 ，这个条件也是业界公认的可以达到的最大的s n r ， 此时理想调制器的信噪比可以表示为： ? r 2 l s n r = 6 0 2 m + 1 7 6 + ( 2 0 * l + 1 0 ) l o g l o o s r 一1 0 l o g l o 焉了( 拈) ( 3 1 ) 二l 十l 其中：m 为调制器输出的位数，l 为一调制器的阶数。 9 东南大学硕士学位论文 s n r * u so s ra r i al 胛= 1 ) $ n r 娜惦o s r a l dl 胛= 3 ) s n r 幛o s n a n dl ( m = 2 ) 图3 1 调制器不同阶数和输出位数对应的s n r 图3 1 给出了m = i 4 ，l = 1 5 时，理想调制器最大的s n r 关于o s r 的变化曲线。比较四幅图可以发 现：( 1 ) 内部d a c 的位数每增加一位，s n r 提高约6 d b ：( 2 ) 调制器的阶数越高，s n r 关于o s r 的变化 斜率越大，带内量化噪声也越低。 2 、噪声分析： 一ad a c 需要着重分析带内和带外的噪声特性，通常需要保证d a c 的噪声主要由模拟电路贡献。 针对本论文的应用，下面具体分析d a c 的噪声性能。f m 接收芯片的音频输出连接片外的音频功放，然后 驱动耳机或喇叭，这样可以降低对音频d a c 输出功率的要求。音频功放通常没有放大倍数，所以输出到 耳机的电压幅度完全等于音频d a c 输出摆幅。而耳机的电压摆幅决定了声压，正常听音乐声压8 0 d b 左右， 而听音乐时最大的声压通常不会高于典型值的2 0 d b 。对于3 2 欧负载而言，通常耳机的灵敏度为 1 1 0 d b m w ，耳机需要达到的功率应大于0 2 6 m w ( 此时最大的声压可达到9 8 d b ) ，因此输出电压摆幅的 有效值为9 0 m v r m s 。比较目前f m 商用芯片可得：f m 接收芯片r d a 5 8 0 0 输出电压范围为6 0m 1 1 1 s 一 9 0 m v r m s ；而芯片s i 4 7 3 0 3 1 输出电压范围为7 2m v i m s 一9 0 m 1 1 1 s ，如果输出是正弦信号则对应的摆幅为 1 0 0m v 一1 2 8 m v ，本论文输出电压的指标与商用芯片的对应指标基本类似。实际系统设计时，为留有一定 余量，音频d a c 的输出电压最大摆幅定为1 5 0 m v ，而典型的工作电压幅度有效值为8 0 m v r m s 左右，即幅 值为1 1 3 m v 。 由表3 1 所示，为了达到优越的音质，输出的信噪比要求6 8 d b ，根据典型应用下输出幅度在8 0 m v r m s 左右，等效的输出噪声应小于3 2 u v r m s ，一d a c 的噪声应主要由模拟部分贡献，所以模拟电路产生的 等效输出噪声应小于3 2 u v r m s 。基于以上分析，噪声相关的参数总结如表3 2 所示。 表3 2 噪声相关的参数总结 参数最大输出幅度典型输出幅度 等效输出噪声 本论文 10 5 m v r m s8 0 m 渤，s 3 2 u v r m s l o 第三章a d a c 系统设计 3 2 2 各模块方案设计 音频d a c 中模块参数设计主要基于d a c 整体性能要求和各模块间的折衷考虑，总体原则在满足性能 的基础上，降低功耗和减小实现的复杂度。下面给出各个模块参数设计的原则和最终的参数分配。 1 、调制器参数设计： 对于f m 内嵌的音频d a c 而言，需要重点考虑面积和功耗问题。目前随着工艺水平不断提高，相对 于模拟设计，数字i c 设计得到快速发展，所以用数字电路来实现之前模拟电路功能或降低对模拟电路的 要求，来达到功耗和面积的优化和快速的设计周期。根据式3 1 所确定的指标，本论文的s n r 要求在6 8 d b 以上，而采样率为3 2 k h z ，可以适当提高采样率来降低对调制器输出位数和阶数的要求。而且，在实际应 用中由于稳定性的问题，以及非理想效应的存在，实际的调制器达不到式3 1 决定的理想的最大s n r 。量 化位数越小，调制器阶数越高，实际值与理论值的偏差也就越大。 为了降低模拟电路的设计复杂度，降低其功耗和芯片面积，采用1 - b i t 输出的调制器，大大降低后面低 精度d a c 的设计复杂度。同时，为了提高系统的稳定性，采用2 阶的调制器，通过适当提高过采样率来 提高d a c 的性能。其次，过采样率的选择完全决定了工作时钟，本系统的时钟由芯片内部p l l 分频得到， 为了降低分频器的复杂度