（微电子学与固体电子学专业论文）高性能、低功耗Σ△模数转换器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 在2 0 0 6 年提出的国家中长期科学和技术发展纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 确定未来1 5 年 力争取得突破的1 6 个重大科技专项中，第一项就是核心电子器件、高端通用芯片及基础 软件。开展高端通用芯片的研发工作，拥有自主知识产权，对于提高我国集成电路产业的 整体竞争力具有重要的意义。对于数模混合集成电路以及模拟集成电路这类高端通用芯片 而言，设计水平集中体现在对芯片噪声、失真、功耗等性能指标的严格控制上，技术门槛 相对较高。另一方面，随着我国多媒体数字音视频s o c 芯片的迅速发展，业界迫切需要 有自主研发的基于c m o s 工艺的高性能、低功耗的音频模数转换器芯片本文在这样的 背景下开展研究，目标是实现一款高性能、低功耗的高端音频模数转换器，综合技术指标 达到国内领先、国际同类产品的水平。 调制是一种在大规模集成电路( v l s i ) ：t - 艺中实现高分辨率模数转换器的有效方法， 非常适合于数字音频应用。结合过采样、噪声整形和数字滤波技术，基于e a 调制的模数转 换器能够实现1 6 位以上的分辨率。这种方法对于模拟电路的非理想性相对不敏感，从而 可以充分利用现代大规模集成电路工艺高集成度的优势，实现低成本的高性能模数转换 器。本文针对高性能、低功耗的z a 模数转换器的设计和实现迸行了全面而深入的研究，主 要工作和创新点包括： 1 、深入分析e a 调制器实现的非理想性因素，及其对于e a 调制器的性能影响。对于高 分辨率e a 调制器，开关电容电路实现的非理想因素引入的误差往往会成为限制系统性能的 主要误差来源。通过严格的理论分析，推导出了各种非理想因素引入调制器基带噪声功率 的增量。定量了解各种电路参数对于不同e a 调制器性能的影响，提供e a 调制器结构选择 和优化的依据，而且使电路设计过程更具针对性。 2 、针对本课题采用的2 1 级联z a 调制器进行系统优化。首先证明了2 1 级联z a 调制 器适用于高分辨率、低功耗的应用：一方面，在保证稳定性的同时，2 - 1 级联调制器结构 对于电路非理想性的敏感度相对较低；另一方面，对于同样的动态范围要求，由于2 1 级 联调制器输入信号的过载幅度接近满量程，因此能够采用相对较小的采样电容，从而实现 更低的功耗。通过调制器的系数优化和信号缩放，2 1 级联e a 调制器能够在标准c m o s 工 艺中实现高分辨率、低功耗的设计目标。利用行为模型对2 1 级联调制器进行快速而有效 的仿真验证，同时综合得到各个组成模块的性能约束。 浙江大学博士学位论文 3 、在标准c m o s 工艺下，采用开关电容电路技术，实现了高分辨率、低功耗的2 一l 级联e a 调制器。设计了一种高能效的a a b 类跨导放大器，在仅消耗0 8 m a 电流的情况 下，达到1 0 0 v j t s 以上的压摆率。根据热噪声要求，各级积分器采用不同的采样电容，对 各级积分器中跨导放大器进一步进行功耗优化。对于线性度要求极高的输入信号采样电 路，采用一种新颖的栅源自举开关，实现了恒定的过驱动电压，有效的减小了采样信号的 失真。采用低功耗的动态比较器，实现1 位量化。为了电路的完整性，调制器中还包含了 高电源抑制比的参考电流源和多相位时钟生成电路。 4 、本文还实现了针对于2 1 级联z a 调制器，降采样率为1 2 8 的数字抽取低通滤波器。 充分利用m a t l a b 中成熟的滤波器设计工具包，大大简化了设计过程。滤波器的实现采用 多级级联方式，串行算法实现“乘一累加”单元，有效减小了硬件开销。通过f p g a 验证， 数字抽取滤波器能够达到0 0 0 1 d b 的通带纹波和1 0 0 d b 以上的阻带衰减，满足整个e a 模 数转换器的设计要求。 5 、采用中芯国际o 1 8 9 mc m o s 混合信号工艺实现了单芯片模数转换器，包括y a 调制器和数字抽取滤波器。测试得到模数转换器芯片能够在音频带宽内达到9 3 d b 的动态 范围、9 2 d b 的信噪比和8 8 d b 的信噪失真比。与国内近几年测试成功的e a 调制器比较， 本设计能够实现较高的功率效率，设计水平在国内处于领先水平。 针对高端音频应用，论文对2 a 模数转换器进行了深入的研究，设计并实现了能够与国 外同类产品性能相当的1 8 位模数转换器芯片。考虑到系统的便携应用，芯片采用低功耗 的设计方法，从而能够实现尽量低的功耗。通过该芯片的正向设计，形成了一套从系统设 计、电路设计、版图设计到流片验证的一套完整的数模混合电路设计流程，并掌握了1 8 位高性能、低功耗的音频模数转换器这一高端通用芯片的完全自主知识产权。 关键词：模数转换器，i i a 调制，噪声整形，过采样，数字抽取滤波器，开关电容，数字 音频，低功耗 a b s t r a c t i n2 0 0 6 “s t h ed e v e l o p m e n to u t l i n eo fl o n g - t e r mn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) w h i c hd e t e r m i n e st h en e x t15y e a r ss t r i v i n gt oa c h i e v eam a j o rb r e a k t h r o u g hi nt h e16 s p e c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m s ，t h ef i r s ti st h ek e ye l e c t r o n i cd e v i c e s ，h i g h e n dg e n e r a l c h i p sa n db a s i cs o f t w a r e t h er e s e a r c hw o r ko fh i g h e n dg e n e r a lp u r p o s ei c sa sw e l la so w n i n g c h i n a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ew h o l e c o m p e t e a b i l i t yo fc h i n a si ci n d u s t r y h i g h - e n dg e n e r a lp u r p o s ei c s ，s u c ha sa n a l o ga n dm i x e d s i g n a l i c s ，r e q u i r ear e l a t i v eh i g ht e c h n i c a lt h r e s h o l d o nt h eo t h e rh a n d ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to f c h i n a sm u l t i m e d i ad i g i t a la u d i o - v i d e os o c c h i p ，t h ei n d u s t r yi t s e l fh a su r g e n td e m a n d so fa n i n d e p e n d e n tc m o sb a s e d ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dl o w - p o w e ra n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) b a s e do nt h eb a c k g r o u n d sa b o v e ，t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oi m p l e m e n ta h i g h p e r f o r m a n c e ， l o w 。p o w e ra u d i oa d cw i t hc o m p a r a t i v ep e r f o r m a n c ew i t hi n t e r n a t i o n a ls i m i l a rp r o d u c t s x am o d u l a t i o ni sap r o m i s i n gs o l u t i o nt o i m p l e m e n th i g h r e s o l u t i o na d c si n v l s i t e c h n o l o g y , f o rt h en e v e r - e n d i n gt h i r s tf o rh i g hf i d e l i t yd i g i t a la u d i o c o m b i n i n go v e r s a m p l i n g a n df e e d b a c kt os h a p et h en o i s e ，a n du s i n gad i g i t a ll o w p a s sf i l t e rt oa t t e n u a t et h en o i s et h a th a s b e e np u s h e do u t - o f - b a n d ，i ti s p o s s i b l et oa c h i e v ear e s o l u t i o na sh i g ha s16 b i tp l u s t h i s a p p r o a c hi sr e l a t i v e l yi n s e n s i t i v et oi m p e r f e c t i o no fc i r c u i tc o m p o n e n t s ，p r o v i d i n gn u m e r o u s a d v a n t a g e sf o rt h er e a l i z a t i o ni nh i g h - d e n s i t ya n dl o w c o s tm o d e mv l s it e c h n o l o g i e s f u r t h e r m o r e ，x aa r c h i t e c t u r e sa r eap o t e n t i a l l yp o w e r - e f f i c i e n tm e a n so fi m p l e m e n t i n gh i g h r e s o l u t i o n a d c s t h i sw o r ki sd e v o t e dt ot h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fa h i g h - p e r f o r m a n c el o w p o w e r x aa d c t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e db e l o w f i r s t l y , i n t e n s i v es t u d yi sg i v e nt ot h en o n - i d e a l i t i e sf o rt h ee l e c t r i c a li m p l e m e n t a t i o na n d t h ei m p a c to ft h e s ee r r o rm e c h a n i s m s t h ei m p o r t a n c ei n c r e a s e sw h e nt h es p e c i f i c a t i o n so ft h e x am o d u l a t o ra r ed e m a n d i n gb e c a u s e t h e yc a nb e c o m et h ed o m i n a n te r r o rs o u r c e s t h ep o w e r o fe a c he r r o ri n d u c e db yn o n i d e a l i t yi sd e r i v e di nc l o s e df o r mt h r o u g ht h et h e o r i e sa n a l y s i s ， t h u si ti si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt os e l e c tt h em o s ta p p r o p r i a t em o d u l a t o rt o p o l o g ya n dp u t m u c he f f o r ti no p t i m i z m i o ns ot h a tt h ed e s i g no f t h ec i r c u i tb l o c k sa r em o r e t a r g e t e d s e c o n d l y , s y s t e m l e v e lo p t i m i z a t i o ni sp e r f o r m e do na2 - 1c a s c a d e dm o d u l a t o rt o p o l o g y , i n o r d e rt op r o v i d eaf a v o r a b l es e to f d e s i g nt r a d e - o f f sf o rh i g h - p e r f o r m a n c e ，l o w p o w e ro p e r a t i o n t h e2 1c a s c a d e da r c h i t e c t u r ea c h i e v e st h i r d o r d e rn o i s es h a p i n gw i t h r e l a t i v e l ym o d e s t c o n s t r a i n t so nd e v i c em a t c h i n g ，a n de s p e c i a l l ya v o i d ss t a b i l i t yi s s u ew h i c hi sc o m m o n p l a c ei n h i g h 。o r d e rr am o d u l a t o rt o p o l o g i e s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sa r c h i t e c t u r ep r o v i d e sah i g h e r i i i 浙江大学媳- 上学位论文 o v e r l o a dl e v e l ，c l o s et ot h ef u l ls c a l er a n g e ，w h i c ha l l o w sr e d u c t i o ni nt h es a m p l i n gc a p a c i t a n c e f o rag i v e ns p e c i f i c a t i o n t h e r e f o r ei ti se s p e c i a l l yt r u ef o rl o w - p o w e r , h i g h - p e r f o r m a n c ed e s i g n e m p l o y i n gc o e f f i c i e n t so p t i m i z a t i o na n ds i g n a ls c a l i n g ，t h eh i g h - p e r f o r m a n c ed e s i g nb e c o m e s r a t h e rp r a c t i c a l b e h a v i o r a ls i m u l a t i o np r o v i d e sa ne f f i c i e n tm e a n sf o rs y s t e ml e v e lv e r i f i c a t i o n i t sf u n c t i o ni n c l u d e sf r o ms y s t e ml e v e ld e s i g nt oc i r c u i tb l o c k ss y n t h e s i su n d e rs o m ek e y p e r f o r m a n c ec o n s t r a i n t s t h i r d l y , t h eh i g h r e s o l u t i o n 1 0 w p o w e r 2 - 1c a s c a d e dm o d u l a t o ri sr e a l i z e de m p l o y i n g s w i t c h e d - c a p a c i t o ri ns t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y ap o w e r - e f f i c i e n tc l a s sa a bo p e r a t i o n a l t r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ( o t a ) i sp r o p o s e d ，w h i c ha c h i e v e sh i g hs l e wr a t eo f10 0 v g t sw i t h o n l y0 8m ac u r r e n tc o n s u m p t i o n s c a l i n gi n t e g r a t o rs a m p l i n gc a p a c i t o r sd o w nt om i n i m u m v a l u er e q u i r e db yk t cn o i s ea te a c hs t a g ei sa n o t h e rk i n do fe f f e c t i v em e t h o do fr e d u c i n g p o w e rd i s s i p a t i o n h i g h - l i n e a r i t ys a m p l i n gi sa c h i e v e dw i t han o v e lb o o t s t r a p p e ds w i t c hw h i c h o f f e r sg r e a ta t t e n u a t i o no ft h es a m p l i n gd i s t o r t i o n al o w - p o w e rr e g e n e r a t i v ec o m p a r a t o ri su s e d a st h es i n g l e - b i tq u a n t i z e r ar e f e r e n c ec u r r e n ts o u r c ew i t hh i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ( p s r r ) a n dam u l t i p h a s ec l o c kg e n e r a t o ra r ea l s oi n c l u d e d f o u r t h l y , a na r e a e f f i c i e n td e c i m a t i o nf i l t e rf o rt h ez am o d u l a t o ri sa l s op r e s e n t e d t h e f i l t e rd e s i g nt o o l b o xi nm a t l a bg r e a t l ys i m p l i f i e st h ef i l t e rp r o t o t y p ec o n s t r u c t i o n i nt h i s f i l t e r , am u l t i s t a g es t r u c t u r ei sa d o p t e da n dt h e m u l t i p l i c a t i o n - a c c u m u l a t i o n i sd e s i g n e du s i n g s e r i a lm e t h o d ，w h i c hf a c i l i t a t e sh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h ed e c i m a t i o nf i l t e rv e r i f i e dw i t h f p g aa c h i e v e s0 0 01d bp a s s b a n dr i p p l ea n d10 0 d bs t o p b a n da t t e n u a t i o n ，w h i c ha d e q u a t e l y m e e t st h er e q u i r e m e n t so f h i g h e n da u d i oe aa d c s f i n a l l y ，am o n o l i t h i ce aa d c i si m p l e m e n t e di ns m i c0 18 p mc m o s p r o c e s si n c l u d i n ga x am o d u l a t o ra n dad i g i t a ld e c i m a t i o nf i l t e r t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ea c h i e v e sad y n a m i c r a n g eo f9 3 d ba n ds i g n a lt on o i s e p l u s - d i s t o r t i o nr a t i oo f8 8 d bo v e ra2 2 0 5k i - i zb a n d w i d t h t h ep e r f o r m a n c eo fs o m er e c e n t l yr e p o r t e dd e s i g n sb ym a i n l a n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n si s c o m p a r e d i ti se v i d e n tt h a tt h ed e s i g ni nt h i sw o r kh a sc o m p e t i t i v ep o w e re f f i c i e n c y t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st od e m o n s t r a t ea na u d i o a d cc h i pf a b r i c a t e di ns t a n d a r d c m o st e c h n o l o g ya n dd e s i g nr e l a t i v ec o n s t i t u e n tc i r c u i ti p s t h es u c c e s s f u lc h i pr e a l i z e sa h i g hp e r f o r m a n c ea u d i ox aa d ct o t a l l yw i t ho u ro w np r o p e r t yr i g h t s t h ev e r i f i e dd e s i g nf l o w o fm i x e d s i g n a lc h i p s ，f r o mt h e o r e t i ca n a l y s i s ，s y s t e ml e v e lo p t i m i z a t i o n ，c i r c u i td e s i g nt o e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，m a k e sg o o dp r e p a r a t i o nf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r , am o d u l a t i o n ，n o i s es h a p i n g ，o v e r s a m p l i n g ， d i g i t a ld e c i m a t i o nf i l t e r , s w i t c h e d - c a p a c i t o r , d i g i t a la u d i o ，l o wp o w e r i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加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，也不包含为获得逝婆盘鲎或其他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已在论文巾作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 致潞r , 1 4叭 回顾五年的学习科研生活，感慨良多。我愿借此机会，对给予我帮助和关心的人们表 示衷心的谢意 本文是在我的导师韩雁教授的悉心指导和热情关怀下完成的。尽管平时工作业务非常 繁忙，她还是时刻关注着我课题的进展情况，在我碰到挫折困难的时候给予孜孜不倦的教 诲和身体力行的指导，使我能够踏踏实实的，认真完成本论文的工作除了在科研上的指 导，在生活中也得到了韩老师无微不至的关怀，让我能够安心的专注课题研究。在此，由 衷地向韩老师表示我最崇高的敬意和最诚挚的谢意。 感谢浙江大学微电子与光电子研究所的朱大中教授、何杞鑫副教授、沈相国高工、董 树荣副教授、丁扣宝副教授、郭维老师、孙颖老师、韩晓霞老师、霍明旭老师等对我在学 习、工作上的帮助和生活上的关心，与他们的学术讨论使我深受裨益。 感谢与我合作的蔡友和陈金龙，感谢研究所的洪慧、郭清师兄，感谢黄小伟、施敏文， 周海峰、王泽、陈磊等同学对我的关心和帮助，感谢所有实验室的师弟、师妹，与你们一 起度过的时光将是我一辈子永远难忘的回忆。 感谢杭州中科微电子有限公司给予我实习的机会，感谢马戍炎老师的指导，感谢那里 给我很多帮助的同事们。 感谢中芯国际给予项目的支持。 感谢我的女友方敏红，是她在我背后默默地支持我，给了我不断前进的勇气和动力， 感谢她为我做的一切。 感谢父母的养育之恩和对我学业的支持和鼓励；感谢哥哥、嫂子对我生活上的关心和 照顾。你们是我永远的牵挂，也是我最大的财富。 谨以这篇论文纪念我二十一年的学生生涯，并献给一直关心支持我、对我寄予厚望的 家人和女友。 马绍宇 2 0 0 8 年4 月 绪论 1 绪论 1 1 课题意义 集成电路是电子信息技术的基础和核心，具有至关重要的战略地位和不可替代的核心 关键作用。最近十几年，我国集成电路产业发展迅猛，涌现出一批集成电路设计和制造企 业。然而，在高端通用芯片的研发方面，我国与国外先进水平还存在明显的差距，这已经 成为制约我国集成电路产业发展的主要瓶颈2 0 0 8 年4 月2 4 日，国务院召开了常务工作 会议，做出了正式启动“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”和“极大规模集成电 路制造技术及成套工艺”两项重大专项的重要决定。开展高端通用芯片的研发，不但具有 对高技术领地竞争层面的价值，而且在经济社会层面，对于提高我国集成电路产业的整体 竞争力、进而带动整个电子信息产业跨越式发展，具有重要意义 由于c m o s 集成电路工艺的发展，数字信号处理( d s p ) 技术在最近几十年经历了爆炸 式的增长，各种以数字信号处理技术为基础的设备、系统层出不穷，例如数字通信，数字 电视，数字娱乐产品，数字控制等等。数据转换器是实现基于d s p 的电子线路系统中不 能缺少的一环。尽管数字信号能够用任意分辨率和精度处理，但是系统整体性能依然无法 超越将模拟信号转换成数字形式所需要的模数转换器的分辨率。数据转换器目前已经成为 各种信号处理系统中的通用芯片【1 1 。当然，数据转换并不是电路设计中的新概念，但是巨 大的工业投资仍在继续，在这个技术领域仍然有很多的研究活动。这就说明依然存在着对 于高速、高分辨率、低成本和低功耗数据转换器的巨大需求。 随着多媒体技术的快步进步和第三代移动通信的发展，人们对音频、视频、数据等多 媒体的品质要求越来越高，从而对模数转换器( a d c ) 提出更宽频带和更高分辨率的要求。 特别是在汽车电子、消费类音视频( 例如m p 3 、m p 4 ，手机多媒体，数字电视等) 和个人计 算机( p c ) 快速发展的推动下，数字音频技术发展更是十分迅猛，为了获得更高的音质，1 6 位以上的高分辨率音频模数转换器被大量使用。然而，目前只有国外少数几个公司掌握高 端音频模数转换器的核心知识产权( i p ) ，严重制约了我国开展高性能多媒体s o c 芯片的设 计与研究。为了打破垄断，缩小我国在高端通用芯片的设计能力上与国外先进水平的差距， 自主开展高性能和低功耗的音频模数转换器的研究与设计是我国模拟集成电路发展所必 需的 在此前提下开展了本课题的研究，通过对e a a d c 原理与结构的研究，设计并实现了 i 浙江大学博上学位论文 能够与国外同类产品性能相当，应用于高端音频领域的1 8 位模数转换器芯片。考虑到系 统的便携应用，芯片采用低功耗的设计方法，从而能够实现尽量低的功耗。表1 1 通过对 比国内外的产品性能，制定了本课题的预期目标通过该芯片的正向设计，形成一套从系 统设计、电路设计、版图设计到流片验证的一套完整的数模混合电路设计流程，并掌握了 1 8 位高性能、低功耗的音频模数转换器这一高端通用芯片的完全自主知识产权。 表1 - 1 国内外产品性能与本课题设计目标 性能指标 a d l 8 7 7 ( a d i ) w mi8 3 7 l ( w o l f s o n )国内产业水平本课题目标 电源电压5 v1 8 v3 3 v3 3 v 1 8 v 输出字长1 6b i t1 6b i t1 6b i t1 8b i t 采样频率4 4 1 k h z4 4 1 k h z4 4 1 k h z4 4 1 k h z 动态范围9 2 d b9 7 d b9 0 d b9 2 d b 信噪失真比9 0 d b8 6 d b7 0 d b8 8 d b 功耗2 5 5 m w8 5 m w6 0 m w2 0 m w 1 2 课题技术背景 传统的模数转换器( 如并行型、积分型、逐次比较型等) 大多是采用信号带宽两倍的 采样频率( 奈奎斯特频率) 对输入模拟信号进行采样，然后对每一采样值的幅度进行均匀 量化，最后转换为二进制码来表示输入信号。分辨率为玎位的模数转换器需要2 疗个相同 的量化等级。提高模数转换器的分辨率，即是提高硬件电路区分2 ”个不同等级电平的能 力，从而需要精确匹配的模拟电子器件来实现。在低成本的标准c m o s 工艺中，传统的 奈奎斯特频率模数转换器很难达到1 6 位以上的分辨率。 基于z a 调制的模数转换器利用过采样和噪声整形技术，大大简化了模拟电路的设计， 对模拟电路的非理想性相对不敏感，以复杂的数字电路换取相对简单的模拟电路。因此， y a 模数转换器能以较低的成本来取得极高的分辨率( 1 6 位以上) ，非常适合于高端音频应 用2 卅。从制造：r e 来说，y aa d c 与标准c m o s 工艺兼容，很容易与数字系统集成在一 起，从而获得最为优化的速度、分辨率、集成度、成本和功耗的折衷，符合目前集成电路 设计中s o c 的发展趋势。 2 绪论 上世纪8 0 年代起，国外一些研究单位在模数转换器方面开展了广泛深入的研究， 包括斯坦福大学的w o o l e y 教授f 7 】和俄勒冈州立大学的t e m e s 教授【8 1 等9 0 年代初期，随 着大规模集成电路( v l s i ) 技术的成熟，几家集成电路公司成功开发了基于调制的高分辨 率模数转换器。目前，国外的先进产品已经能够达到1 6 位以上的有效分辨率，国内高分 辨率模数转换器的发展起步相对较晚，但是近年来越来越受到重视。国内一些高校和公司 已经开始从事高分辨率模数转换器的研究和开发，包括复旦大学、清华大学、上海交通大 学和电子科技大学【9 。2 】等。四川登巅微电子有限公司也已经推出了针对数字音频的1 6 位和 2 4 位模数转换器，根据其公布的技术资料，信噪失真比仅能达到7 0 d b ，性能和国际先进 水平相比还存在着较大的差距。 1 3e a 调制技术的历史l s l 与发展趋势 调制器技术从概念的提出到目前的产业应用已经经历了5 0 多年时间。1 9 5 4 年在 c u l t e r 申请的一个专利中( 1 9 6 0 年授权) 首次提出利用反馈来提高粗略量化器分辨率的概 念。他提出在反馈环路的前馈路径中放置一个低分辨率量化器，然后从输入信号中减去量 化器的量化误差。1 9 6 2 年，s p a n g 和s c h u l t h e i s s 对c u l t e r 的系统进行了详细分析，并提出 提高和优化性能的方法。他们还提出了在反馈路径中加入一个有限冲击响应( f i r ) 滤波器， 目的是预测和校正下一个量化误差值。系统输出结果包含原始输入信号和经过f i r 环路滤 波器的反传输函数滤波的量化噪声，这个系统通常称为误差反馈编码器( e r r o rf e e d b a c k c o d e 0 。 1 9 5 2 年d ej a g e r 提出a 调制器，包含一个前馈路径上的量化器( 通常为l 位量化) 和 一个反馈路径上的环路滤波器( 最简单的形式是积分器) 。输入信号和量化噪声都经过了 反馈和滤波，并与输入信号相减。因此，系统输出信号包含经过环路滤波器反传输函数滤 波的量化噪声和经过相同传输函数滤波的输入信号。如果作为模数转换器应用，误差反馈 编码器和调制器都存在严重的实现问题。误差反馈结构中反馈路径需要高精度的模拟减 法器，并不容易实现。调制器抑制了输入信号频谱中的低频部分，在接收部分需要一个 滤波器还原信号，由于这个滤波器增益通常很大，因此会造成反馈路径误差放大。 l n o s e ，y a s u d a 和m u r a k a m i 于1 9 6 2 年提出在调制器前端增加一个环路滤波器，然后 将环路滤波器移到反馈环路中。对于积分器这种最简单的环路滤波器形式，得到的系统前 馈路径上包含一个积分器和一个量化器，反馈路径包含一个l 位数模转换器( d a c ) 。由于 这个系统包含一个调制器和一个积分器，通常称为( d e l t a - s i g m a ) 调制器，其中“”表示 1 浙江大学博上学位论文 积分器的求和过程。后来的文献有也称之为( s i g m a - d e l t a ) 调制器，现在，两个名字都在 使用调制器的输出与误差反馈编码器一样，包含调制器的输入信号和量化误差的一阶 差分( 积分器的反传输函数) 。y a 调制器通过抑制信号频带内的误差，从而提高了系统的 动态范围。而且，调制器的实现相对容易，反馈环路中唯一的元件是一个1 位d a c ， 精心的设计可以实现几乎理想的1 位d a c 。 自1 9 6 2 年首次提出以来，基本的x l a 调制器在各个方面进行了很多改进。第一个重要 的改进是，r i t c h i e 在1 9 7 7 年提出在反馈环路的前馈路径中级联多个积分器来实现高阶环 路滤波器，但是系统存在稳定性问题。c a n d y 在1 9 8 5 年发表的一篇很有影响的文章中， 对前馈路径包含两个积分器的环路进行深入的分析 1 3 】。但是，包含两个以上积分器的环路， 稳定性是有条件的，必须通过数值仿真分析得到稳定条件。1 9 8 7 年，l e e 和s o d i n i 提出了 高阶环路的稳定性技术，基于这种技术，一些集成电路公司成功研发出包含多个开关电容 积分器和谐振器的四阶、五阶a d c 。 1 9 8 6 年，h a y a s h i 等人提出另外一种稳定的高阶调制器的设计方法。采用一个单积 分器的e a 调制器处理输入信号，得到的量化噪声用第二个e a 调制器转换为数字信号，两 个调制器的数字输出通过一个误差抵消电路，抵消第一个调制器的量化噪声，并对第二个 调制器的量化噪声进行差分运算。误差抵消电路输出中量化噪声经过高通滤波，滤波阶数 等于两个环路滤波器阶数之和，这种结构称为多级噪声整形( m u l t i s t a g en o i s es h a p i n g ，简 称为m a s h ) t 1 5 】。为了防止第一个调制器的量化噪声泄漏到输出，第一个环路的模拟积分 器需要几乎理想的性能，这使得电路实现有些困难。这个理论可以扩展到更高阶调制器的 实现。 另外一种提高e a 调制器性能的方法是采用多位量化器。但是，这就在反馈环路中需要 多位d a c ，d a c 的线性度限制了整个a d c 的线性度，采用一些技术可以克服这个问题 1 9 8 9 年，c a r l e y 提出采用动态元件匹配( d e m ) 技术来降低d a c 非线性对a d c 整体性能 的影响【1 6 1 ，l a r s o n 等人提出利用数字校正技术来抵消这个误差【1 7 】。在1 9 9 0 年，l e s l i e 和 s i n g h 引入一种采用多位量化器和1 位d a c 的结构同时实现高线性度和低量化噪声【l 引。 另外，可以对多位d a c 的非线性误差进行高通滤波，而不仅仅对非线性误差进行随机化 处理。 近年来，随着多位量化技术的成熟，基于调制的模数转换器已突破了“低速高精度” 的传统观点，持续往高速方向发展，甚至进入了无线通信的领域。与奈奎斯特率的模数转 换器相比，如流水线模数转换器，a d c 能够达到更高的动态范围而消耗的功耗则要小 4 绪论 许多，因此更适合无线手持设备的应用在2 0 0 7 年国际固体电路会议( i s s c c 2 0 0 7 ) 上，n x p 公司的b r e e m s 等人发表的文章中已经成功研发信噪比为7 1 d b ，2 0 m h z 带宽的调制器 芯片【1 叼；o u z o u n o v 等人提出的应用于无限局域网( w l m d 的调制器【2 0 】，在i o m h z 信号 带宽内达到5 2 d b 动态范围，功耗仅为7 m w 。 1 4 本论文的主要工作 论文在简单回顾模数转换器和z a 调制器工作原理的基础上，深入分析了影响z a 调制 器性能的各种非理想因素，并推出了相应闭环的表达式，作为指导设计的依据。根据系统 性能指标，采用自上而y ( t o p d o w n ) 的设计方法【2 ，实现了本课题要求的高性能、低功耗 z a 模数转换器。研究包括系统设计、优化与仿真，电路设计与仿真，版图设计与流片验证 等几个主要步骤。 在系统设计阶段，通过对z a 调制器工作原理和影响z a 调制器性能的各种非理想因素 的研究和分析，选取合适的量化器位数调制器结构，阶数以及过采样率。通过理论分析 和行为仿真工具验证，对调制器的系数进行优化以获得最佳性能，最终实现了2 一l 级联z a 调制器的设计原型。在电路设计阶段，主要完成z a 调制器模拟前端电路设计和仿真，包括 开关电容积分器( 跨导放大器、电容和开关) 、比较器，时钟电路以及参考电流源等部分， 并针对主要模块进行了功耗优化。针对2 1 级联z a 调制器，设计并实现了降采样率为1 2 8 的数字抽取低通滤波器。滤波器的实现过程中采用多级级联方式，串行算法实现“乘一累 加”单元，有效减小了硬件开销。采用中芯国际0 1 8 p m 标准c m o s 工艺进行后端设计， 并流片验证，实现了高性能、低功耗的e a 模数转换器芯片。 针对高性能、低功耗的音频应用，本论文对于z a 模数转换器进行了深入的研究，并且 在主流工艺中进行了实现和验证。芯片的研发成功，实现了完全自主知识产权的高性能音 频模数转换器。从理论研究到系统设计，从电路设计到最终的流片验证，形成了一套完整 的数模混合电路设计流程，为今