（电路与系统专业论文）16b+480uw+035um音频deltasigma+adc的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着消费类电子市场的蓬勃发展，片上系统在手持音频设备和无线通信领域 得到了广泛的应用。音频模数转换器作为模拟和数字信号之间的桥梁受到关注， 其高精度低功耗成为设计重点。本文在透析音频一a d c 理论，现状以及发展 趋势上，提出了高精度低功耗音频a d c 设计方案，期待在5 0 0 u w 功耗下实 现1 6 b i t 转换精度。 针对设计目标，通过比较前馈结构，反馈结构的优缺点，从低功耗的角度选 取了前馈结构为- a d c 的系统结构。在前馈结构中，为了进一步降低功耗， 详尽分析了过采样率、系统阶数、量化位数等系统参数，提出了为系统所使用的 低功耗实现结构。 通过使用m a t l a bs i m u l i n k 对一a d c 建立理想分析模型，确定了系 统的时序。在非理想性因素中，通过分析采样电容的热噪声、运算跨导放大器 o t a 有限增益对传递函数的影响、o t a 有限增益带宽积对信号建立误差的作用、 o t a 有限转换速率和m o s 开关电荷注入等非线性因素对于一a d c 性能的影 响，给出各设计指标参考值，给电路模块设计提供依据，包括o t a 、共模反馈 电路、离散比较器、时钟电路和小增益反馈电路等。 电路在t s m cc m o so 3 5 u mm i x e ds i g i l a l 工艺下通过c a d e n c ev i r n l o s o 设 计完成。一a d c 转换输出数字信号，使用8 1 9 2 点进行f f t 变换，得到其频谱 特性。结果表明，最大信号噪声比达到了1 0 5 d b ，动态范围达到了1 0 6 d b ，系统 总功耗为4 8 0 u w 。系统的品质因数f o m 达到了4 4 1 6 ，实现了预期的目标。 关键词：音频，a d c ，高精度，低功耗设计 2 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sf a s t 黟o w i i l go fc o n s 啪e re l e c t r o n i c sm a r k e t ，s y s t e m - o n - c l l i pa r ew i d e l y 叩p l i e d t 0p o n a 【b l eb a t t e 巧p o w e r e de q u i p m e n t sa n dw i r e l e s sc o 删m i l l i c a t i o np r o d u c t s a sab r i d g eb e t 、e e na i l a l o ge n v i r o n m e n ta n dd i g h lp r o c e s s o r a u d i oa i l a l o g - t o d i g i t a l c 0 1 w e r r t e r ( a d c ) i sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e m i o n s a n d1 0 t so f e 仃0 r t sw e r ep u ti n t o i t sh i 曲一r e s o l u t i o n1 0 w p o w e rd e s i g n b a s e do nr e v i e w i n ga n d 趾a l y z i n go fp r i n c i p l e s o f 一a d ca sw e na si t s d e v e l o p m e n ta i l d 仃e n d ，“st h e s i sp r o p o s e da h i g h - r e s o l u t i o nl o w - p o w e ra u d i o 一a d c ，h i c hi sc a p a b l eo fa c l l i e v i n gr e s o l u t i o n o f16b i t 谢t hp o w e rd i s s i p a t i o nl e s sm a i l5 0 0 u w 加i n j n ga td e s i g ng o a l s ，缸o u 曲c o m p a r i n gt h ef e e d - f b 刑a r ds t r u c t u r e 谢t h f e e d - b a c ko n e ，af e e d - f o m 矾s t m c t u r ei sc h o s e nf o r 一a d cd u et oi t sl o w e rp o w e r m o r e o v e r s y s t e mp a r 锄e t e r si n c l u d i n go v e rs 锄p l er a t e ，s y s t e mo r d e r觚d q u 砌i z a t i o nl e v e la r ea r i a l y z e da n dp r e c i s e l ya d j u s t e dt 0 r e d u c ep o w e rd i s s i p a t i o n 缸m l e r b a s e di t ，al o wp o w e rs y s t e ma r c l l i t e c t u r ei sb u i l t b yd i mo fb u i l d i n gt l l ei d e a l 锄a l y t i cm o d e lf o r - a d cu s i n gm a t l a b s i m 几i n k ，雠s y s t e mt i m i n gw a sd e t e m k da l l dt e s t e d n ee 髋c t so fs o m e n o i l i d e a l i t i e si nr e a lc i r c u i to ns y s t e m 、v e r ea i l a l y z e d 锄de s t i m a t e d f o ri l l s t a n c e ，m e y a r em et h e m a ln o i s ei i ls a m p l i n gc a p a c i t o r s ，t b ee f r e c to ft h ef i n i t eg a i no fo p e r a t i o n a l 仃a n s c o n d u c t a j l c e 卸叩l i f i e r ( 0 1 a ) o n 仃a n s f e r 劬c t i o i l ，l ee 虢c to ft h ef i l l i t eg a i l l b a r l d w i d n lo f0 1 ao ne 哟r sd u r i n gs i g n a le s t a b l i s h i n g ，1 ee 最c t so ft h ef i n i t es l e w r a t eo fo t a 嬲w e ua st l l ec h a 略ei n j e c t i o no fm o ss w i t c ho np e r f o m a n c e so f 一 a d c b a s e do ni t ，s p e c i f i c a t i o n so fm o d u l e si n c l u d i n go t a ，c o m m o nf e e d b a c k c i r c u i t ，c o m p a r a t o r c l o c k ，a i l ds m a l lg a i nf e e d b a c kc i r c u “w e r ep r o p o s e da i l dt h e i r c i r c u i tl e v e ld e s i g nw a sc o m p l e t e d c n u i 缸yw a sd e s i g n e da n dc o r n p l e t e di nt s m cc m o s o 35 啪m i x e ds i g n a l p r o c e s s 眦d e rc a d e n c ev i 咖o s oe n v i r o 衄1 e n t 1 ko u 印u td i g i t a ls i g n a l 、a se s t i m a t e d b yf 弧f o u r i e r 仃a n s f o m 谢t l l8 19 2p o i n t r e s u l t ss h o w e dt i l a tt l l em a ) 【i m 啪s i g n a lt o 3 浙江大学硕士学位论文 n o i s e 谢oo f1 0 5 d b 淅t l ld y n 锄i cm g eo f1 0 6 d b 、a sa c l l i e v e d t o t a lp o w e ri s 4 8 0 u w ：f i g u r eo fm e r i to fa u d i o 一a d ca c l l i e v e s4 4 16 u j k e y 、r d s ：a u d i o ，- a d c ，h i g l lr e s o l u t i o n ，l o wp o w e r 4 浙江大学硕士学位论文 图目录 图1 1 音频系统框图l l 图1 2a d c 类型和应用范围12 图2 1 za d c 系统1 5 图2 2 a d c 中过采样技术1 7 图2 3 一阶- a d c 模型18 图2 4 量化噪声整形示意图1 9 图2 5 二阶忑a d c 模型19 图2 6 三阶噪声整形效果2 0 图2 7 降采样滤波器的结构2 l 图3 1s q n r 与o s r 关系曲线( m = 1 ) 2 2 图3 2s q n r 与o s r 曲线( m = 2 ) 2 3 图3 3s q n r 与o s r 曲线( m = 3 ) 2 3 图3 4c r f b 2 5 图3 5 积分器输出分析2 6 图3 6c r f f 2 6 图3 7h i n f 和信噪比，最大输入幅值曲线3 0 图3 8h i n f 为1 7 ，摆幅为o 4 时，系统参数3 0 图3 9 零点优化时，h i n f 与s q m 艮最大输入幅值曲线一3 l 图3 1 0 在节点摆幅限制下，s q n r 与输入幅值曲线3 l 图3 1 l 系统系数3l 图3 1 2 噪声传递函数曲线3 2 图3 1 3 信号带宽内噪声传递函数曲线3 3 图3 1 4 输入信号幅值与s n r 曲线3 3 图3 1 5 输入信号幅值与s n r 曲线放大图3 4 图3 1 6 系统输入模拟信号与输出数字信号3 4 图3 1 7 系统中积分器输出幅值3 5 图3 1 8 系统中积分器输出幅值统计3 5 图3 1 9 系统输出频谱。3 6 图3 2 0 采样电容2 p f 时输出频谱3 8 图3 2 l 采样电容7 p f 时输出频谱3 8 图3 2 2 电容取值分析模型3 9 图3 2 3 节点到输出传递函数幅频特性曲线4 l 图3 2 4 有限增益叽a 积分器模型4 2 图3 2 5 系统框图4 3 图3 2 6 叽a 有限增益下n t f 4 4 图3 2 7 0 1 a 有限增益下带内噪声总量4 5 图3 。2 80 1 a 中g b w 分析模型4 5 图3 2 9 0 1 a 输出到系统输出传递函数幅频特性4 7 图3 3 0 开关电荷注入模型5 0 图3 3 l 积分器电荷注入模型5 l 7 浙江大学硕士学位论文 图4 1o t a 电路图5 4 图4 2o t a 中g b w 仿真5 5 图4 3 ( 兀a 中s r 测试方案5 6 图4 4o t a 中s r 仿真结果( a ) s rd o 、v n( b ) s ru p 5 6 图4 5 叽a 输出摆幅5 7 图4 64 开关c m f b 电路5 9 图4 7 改进6 开关c m f b 电路6 0 图4 8c m f b 瞬态响应6 0 图4 9 离散比较器6 l 图4 1 0 比较器仿真结果6 2 图4 1 l 量化器6 2 图4 1 2 量化器仿真结果6 3 图4 1 3 采样积分时钟框图6 4 图4 1 4c h o p p e r 时钟框图。6 4 图4 。l5 时钟b o o s t 电路6 5 图4 1 6 采样积分时序6 5 图4 17 采样积分时序放大图6 6 图4 18 时钟b o o s t 后时序6 6 图4 1 9 积分器模型6 8 图4 2 03 电容积分器模型。6 9 图5 1 音频a d c 电路系统框图7 l 图5 2 两相非重叠时序7 1 图5 3 小增益反馈电路效果( a ) 使用小增益反馈( b ) 不使用小增益反馈7 2 图5 4m o s 开关电阻。7 3 图5 5 时钟b 0 0 s t 后m o s 开关电阻7 3 图5 6 时钟b o o s t 效果图( a ) 没有使用( b ) 使用时钟b o o s t 一7 4 图5 7 不同频率输入信号的系统输出( a ) 1 2 k h z ( b ) 5 k h z 7 5 图5 8 不同幅度输入信号的系统输出( a ) 一1 1 6 d b ( b ) 3 d b 7 6 图5 9 音频a d c 输入信号幅值与s n r 曲线7 7 图5 1 0 图5 9 放大图7 7 8 浙江大学硕士学位论文 表目录 表1 音频a d c 设计指标1 3 表2 实现预期的解决方案2 4 表3 四种解决方案的比较2 8 表40 1 a 设计指标总结5 4 表5 不同工艺角下0 1 al 的性能5 7 表60 1 a 的性能。5 8 表7 时钟总结。6 7 表8f o m 值的比较7 9 表9 音频a d c 总结7 9 9 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，也不包含为获得滥姿态堂或其他教育机柯的学位或证书而 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中作了明 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逝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。本人授权逝姿盘鲎可以将 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 浙江大学硬士学位论文 致谢 在硕士学业即将完成，学位论文即将成稿之际，我谨在此向帮助过我的老师、 同学，无私理解和全力支持我的家人致以我最诚挚的谢意! 首先要感谢的是我的指导老师吴晓波教授。从参加s i 汀p 项目，到保送进 入超大所，吴老师给了我很多宝贵的指导。在毕业设计的选题、进展、到最后的成 稿，吴老师也给了很多宝贵的意见，让我受益匪浅。他渊博的知识、丰富的经验、 严谨的治学态度和勤俭敬业的作风都给我留下了深刻的影响。值此论文即将脱稿之 际，谨向导师表示最深挚的感谢之情。 我要感谢项目组的师兄师姐，朱恒芳、姚舜、欧伟、孙敢。正是你们的带领， 我能够深入了解到a d c 。感谢项目组的徐建博士，王汉卿，杨巧，麻笑芬，王旭 霞，正是你们的付出，项目上的种种难题得到了解决。感谢a n a l o gd e v i c e si n c 的 b i l ll i u 对我的一如既往的支持。 感谢陈海，徐孝如，阿丹，张杰，张强，王朗圆，陆佳颖，张宏杰，杨永良， 孙亮，潘虹，严冬勤等一路走过来的兄弟姐妹，让我们的研究生生涯充满了快乐。 感谢沈维在一路上的相互扶持。 另外，特别要感谢无私理解和全力支持家人，你们的鼓励和关心，给了我莫大 的动力。 易锋 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 本章将阐述音频模数转换器的背景，介绍国内外技术现状和发展趋势，说明 论文研究内容，以及论文的结构。 1 1 研究背景 随着半导体集成电路制造工艺的不断发展，其特征线宽已经朝着亚微米 ( 0 8 啪0 3 5 u m ) ，超深亚微米( 0 2 5 啪- ) 和纳米级发展( 0 0 5 眦- ) ，片上系统 ( s y s t e i n - o n c h i p ，s o c ) 已成为设计技术发展的主流，并在手持音频设备和无线 通信领域得到了广泛的应用。考虑到手持音频设备和无线通信设备的特点，低功 耗高性能成为设计重点。如所周知，s o c 设计是基于大量可重用的功能模块基 础上，所谓知识产权模块( i n t e l l e c t u a lp r o p e 慨i p ) 。在这些i p 中，模数转换器 ( a n a l o g - t o d i g 油lc o n v e r t e r a d c ) 和数模转换器( d i g i t a l 一t 0 一a n a l o gc o n v e r t e r ， d a c ) 因处于连接模拟和数字信号的桥梁位置而受到关注。在音频应用中，音 频a d c 的性能将对系统性能起着至关重要的作用。高性能的音频a d c 成为了 手持多媒体播放器，微机电系统( m i c r o - e l e c t r 0 一m e c h a n j c a ls y s t e m ，m e m s ) ，麦 克风的基石。由于手持设备中的电池容量有限，又对音质有较高要求，音频a d c 的设计重点在于低功耗和高转换精度。图1 1 给出了音频信号处理系统的框图。 声音信号通过音频a d c 转换成为数字信号，数字信号在数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 处理，运算结果再由音频d a c 转换成为模拟信号。模拟 信号被功率放大器放大之后，驱动外部设备。另外，在这个系统中，还有一些支 持模块，比如电源管理模块( p o w e rm a i l a g e m e n t ，p m ) 给各个模块提供电源；数 l o 浙江大学硕士学位论文 字接口模块( d i g i t a l i n t e 觑e ，d i ) 保证模块之间的通信顺畅。 图1 1音频系统框图 a d c 有两个关键的参数：转换速度和转换精度。针对这些特点，文献【l 】- 【7 】 提出了自己的低功耗设计思路。通常，a d c 的功耗与工作速度，转换精度相关。 本文的设计重点在保持a d c 高转换精度下，从系统结构，从实现电路上，降低 系统的功耗。 1 2 研究内容 根据采样频率和信号带宽之间的相对关系，a d c 可以分为两种：奈奎斯特 率转换器( n y q u i s tr a t ec o n v e n e r ) 和过采样转换器( o v e 卜s 锄p l i n g c o n v e r t e r ) 【8 】。在奈奎斯特率转换器中，由于没有存储单元，转换输出的数字信 号与输入模拟幅值是一一对应的【2 0 1 ，采样频率被设置为略高于2 倍的信号截止 频率。但是，为了避免采样引起的信号混叠，转换器需要一个前置的抗混叠滤波 器。抗混叠滤波器由于担负着对频率高于采样频率一半的信号进行抑制的任务， 其过渡带比较小，给设计带来了挑战。由于没有使用过采样技术，奈奎斯特率转 换器的转换速度比较高，通常在几百兆每秒。由于转换精度受制于器件之间的匹 配程度，其转换精度受到限制，一般不会高于1 2 位【2 0 】。因此奈奎斯特率转换器 适用于高转换速度，中低转换精度的应用场合，例如视频监控，工业控制等。奈 l l 刍固 浙江大学硕士学位论文 奎斯特率转换器有着不同的实现结构，包括折叠转换器( f o l d i n g ) ，流水式转换 器( p i p e l i n e ) ，逐次逼近转换器( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o l l ，s a r ) ，闪存转换器 ( f l 础) 等。 相对而言，过采样转换器的采样频率远远大于信号截至频率，从而将噪声拉 升分布到一个更广的频带范围，因此信号带宽内的噪声总量减少瞄】。同时，过 采样转换器还使用噪声整形技术，进一步将带内噪声整形到带外，带外的噪声被 滤波器给滤皑8 1 。因此，过采样转换器通过这几种技术的结合来实现高转换精度， 适用于低转换速高精度的应用场合，比如精密测量天平，体重测量等。图2 2 给 出了不同类型的a d c 在速度，精度上的不同应用范围。f l a s ha d c 适用于高速， 低精度的应用场合，而d e l 协s i 蛐a a d c 而是应用于低速，高精度的场合。 1 3 研究目标 b a n d w i d t l l 图1 2a d c 类型和应用范围 本论文的主要研究内容在于设计一个应用与音频带宽的低功耗d e l t a s i g m a a d c 。为保证经过音频处理之后的声音品质，要求音频a d c 具有高转换精度。 一个d e l t a _ s i g m a d c 可以模拟部分，和数字滤波器部分。由于篇幅限制，本论 文重点关注模拟部分。数字滤波器的内容，可参见包括本人文章在内的文献 1 2 浙江大学硕士学位论文 【2 3 】【2 4 】【2 5 】。论文通过b 匕较选取不同的系统结构，扫描系统参数，从低功耗的角 度选取了d e l t a s i g m aa d c 的系统结构。使用m a t l a b 对d e l 协s i g m aa d c 建 模，分析优化系数参数。写出系统的传递函数，研究模拟电路中的非理想性因素， 提出各自的解决方案以及给出了模块的设计指标。电路在t s m cc m o s0 3 5 啪 m i x e ds i g n “工艺下设计完成，转换精度达到了1 6 位以上，即信噪比实现预期 值的9 8 d b ，具体见表1 。在论文第五章中，系统结果显示：信噪比最大值达到 了1 0 5 d b ，设计达到了预设目标。 表1 音频a d c 设计指标 p r o c e s st s m cc m o s0 35 u mm i x e ds i g n a l s i g n a lb a n d w i d t h 2 0k h z s a m p l i n gf r e q u e n c y 2 5 6m h z v， p o 、e rs u p p l y 1 5 v t d t a lp o w e r 5 0 0 u w o s r6 4 p e a ks n d r9 8d b 1 4 文章的组织结构 本文以1 6 位，不高于5 0 0 u w 功耗的音频一a d c 为设计目标。文章以一 a d c 的设计流程为线索组织成文。由于在a d c 设计中，系统设计与非理想 性因素建模和分析对系统性能的影响有着关键作用。因此，论文将重点围绕此展 开。 全篇共分为六个章节。 第一章为引言，将阐述音频模数转换器的背景，介绍国内外技术现状和发展 浙江大学硕士学位论文 趋势，说明论文研究内容，以及论文的结构。 第二章介绍一a d c 的基本原理。a d c 中使用三种技术：降采样滤波 技术、过采样技术和量化噪声整形技术，用以实现模拟信号到数字信号的高精度 转换。该章通过阐述这些技术的特点及其对系统性能的影响，为一a d c 的设 计提供理论参考依据。 第三章为a d c 的系统设计，是为本文的重点。主要是针对设计目标， 从低功耗的角度对a d c 进行系统设计。设计内容包括系统拓扑选取、系统 参数设置、m a n ，a b 建模以及分析、非理想性因素的分析。非理想性因素分析 在一a d c 设计中占据了重要地位，论文通过分析采样电容的热噪声，o t a 有 限增益对传递函数的影响，o t a 有限增益带宽积对信号建立误差的作用，o t a 有限转换速率，m o s 开关电荷注入非线性因素对于系统性能的影响，给出各自 的设计指标参考值，给电路模块设计提供依据。 第四章介绍系统各个模块电路的设计。在前面章节对原理的探讨和分析基础 上，根据获得的分析结果，提出并完成模块电路的分析设计及仿真验证。系统中 的主要电路模块有运算跨导放大器( 0 t a ) 、共模反馈( c m f b ) 电路、离散比较器、 时钟电路、小增益反馈电路。该章给出了各个具体电路的设计指标，电路设计以 及各自的仿真结果。 第五章给出整个音频a d c 的仿真结果，同时综合文献上他人的相似工 作，与本工作进行了对比。 最后是总结和展望。该章总结了本文a d c 设计，并给出了该课题以后的 研究方向。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章a a d c 基本理论 一a d c 采用过采样技术( o v e r - s 锄p l i n g ) ，量化噪声整形技术( n o i s e s l l a p i n g ) ，以及降采样滤波( d e c i m a t i o nf i l t e r ) 三种技术来实现模拟信号的高精度 转换【2 0 1 。由于使用了过采样技术，因此一技术在转换速度和转换精度上存在 折中。从而一技术在低转换速度、高转换精度的应用场合受到欢迎。量化噪 声整形技术将信号带宽内的噪声整形到带宽外，进一步降低残留在带宽内的噪声 【2 0 1 。此外，系统鲁棒性好，对系统中模拟器件匹配特性要求不高，同时也 放松了对抗混叠滤波器的要求【2 l 】。a d c 系统框图如2 1 所示。a d c 是 一个反馈系统，前馈通路中包括了积分器，量化器。量化器产生的量化噪声，被 a d c 整形到带外，被后续的滤波器所抑制。最后，降采样滤波器将数据频 率降低到奈奎斯特采样率( n y q u i s t 贼e ) 。输出的数据就是对输入模拟信号的高精 度转换数字信号。 m o d u l 誉醇 卜觜哟卜刮蝴砑 | 洲函r f 鬻h j l 图2 1- a d c 系统 2 1 过采样技术( o v e 卜s a m p i j n g ) 根据奈奎斯特采样定理，采样之后信号不会产生混叠的条件是：采样频率不 低于两倍的信号截至频率，而奈奎斯特采样频率( n y q u i s tf r e q u e n c y ) 被定义为 浙江大学硕士学位论文 两倍信号截至频率2 2 1 。根据采样定理，采样频率最低为奈奎斯特频率，但没有 限制采样的最高频率。在- a d c 中，采样频率设置为远于奈奎斯特频率，过 采样率( o v e r s 锄p l er a t e ，o s r ) 定义为采样频率与信号截至频率的比值k 。 伽= 尝 亿， 其中，兀是系统采样频率，厶为信号截至频率。 在a d c 中，由于量化器必然引入量化噪声，从而限制了系统的转换精度。 量化噪声被定义为量化器的输出与输入之差【2 2 1 。如果下列条件能满足，量化噪 声能够当作白噪声来对待处理【2 0 1 。 1 所有量化阶梯被平等对待 2 量化阶梯大小是统一的 3 量化噪声不与输入信号相关 4 量化的数量很大 在一a d c 中，这些条件基本上能够满足。假设量化的位数为m 满幅信号 为，因而量化阶梯可以表示为= 勺一1 ) 。假设量化噪声出现在量化阶 梯中任何幅值的概率是一样的。那么： 荆= 去其中一会 e 会 ( 2 2 ) 其中，烈力为量化噪声的分布。从而可以计算出量化噪声的能量： = 垂冬= 鲁 亿3 ， 过采样技术就是将量化噪声能量& 拉升到更大的频率范围，从而减小了 信号带宽内的噪声总量，如图2 2 所示。量化白噪声总量& = 箐在不管使用 1 6 浙江大学硕士学位论文 过采样技术与否，是相同的。不同的是，使用过采样技术以后，量化白噪声被 挈= 龟警 圈脚i s t 触嘲c o n 螂i 0 i i 口弧酬k m c o 脚懿讥 图2 2 - a d c 中过采样技术 拉平到了更广的频率，而在信号带宽厶内的噪声总量变为： ( 厶) = 哆缸 ( 2 4 ) 由此可以看出，信号带宽内的量化白噪声被减小到了原来的少& 波。进一步 加大傩r ，信号带宽内的量化白噪声将残留更少，从而提高了转换精度。 2 2 噪声整形技术( n o i s es h a p i n g ) 虽然增加傩r 能够减小带内的噪声，但是过大的d 欢将使得采样频率过大， 从而增加了对电路的设计难度。因此，过大的d 锻在设计上没有吸引力。为了 进一步提高信噪比( s i g n a lt 0q 优m t i z a t i o nn o i s e 胁i o ，s q n r ) ，a d c 采用了噪 声整形技术。图2 3 所示为一阶厶a d c 模型。通过推导，可以得到系统的传递 函数口o j ： 】，( z ) = x ( z ) z 一1 + ( 1 一z 一1 ) e ( z )( 2 5 ) 其中，】，i 刃是输出，翔矽为输入，e 国为量化噪声。从式2 5 可以找到：z 一- 为信号传递函数( s i 罂l a lt r a i l s f e rf u n c t i o 玛s t f ) ，( 1 一z 一1 ) 为量化噪声传递函数 ( n o i s et r a i l s 诧rf u n c t i o i l ，n t f ) 。 1 7 浙江大学硕士学位论文 e ( z ) 图2 3 一阶- a d c 模型 万= ( 1 一z 。1 )( 2 6 ) 在使用p j 2 砚代替z ，得到噪声的传递函数频幅频特性可以表示为： i 脚( 列= l l - p 川矿叫= i ( 2s i n ( 矿s ) ) l ( 2 7 ) 信号带宽内的噪声总量，通过对噪声传递函数的平方，量化器频谱密度的乘 积有限积分得到f 2 0 】。 & ( 厶) l 物西。强棚。= 丘l m 限( 厂) 1 2 剐石 = 去最( 2 s i n 万以) 2 箐矽 石j 厶、 一71 2 7 临 s e ( 2 8 ) 由式2 8 可知道，经过量化噪声整形之后，更多的噪声被推出带外，减小了 带内的噪声。在图2 4 中，过采样技术，将量化白噪声拉伸到一个更加宽的频带。 噪声整形技术进一步将带内的噪声整形到带外，进一步减少带内的量化白噪声 【2 2 1 。这两种技术的结合，达到了减小带内量化噪声的目的，从而实现了- a d c 对于信号的高精度转换。由于在带内残余的量化噪声，与过采样率d 娥立方成 反比，增加傩r 将减小噪声的残留，提高转换s q n r 。但是d 踩不能设置太大， 否则系统工作频率将会过高，对电路设计要求增加。另外提高转换精度的一种方 式，是增加a d c 的阶数。 1 8 立锹生伽 浙江大学硕士学位论文 图2 4 量化噪声整形示意图 在图2 3 一阶a d c 的前馈通路中，在加入一个积分器，得到了二阶 a d c 【2 0 1 ，如图2 5 。 s e c o i l d - o r d e rs i g n l a - d e h am o 伽a t o r d i s 耐et i m ei n t 曙瑚t o r s c r e t et i i i i ei n t e g r a t o r q u 柚t j z e r 1 、掣砷】、一r 、广二丁1v 印 _- j厂、1 、，广= nv 【砌一r 、 纠厅1 一= j 吖u l j卞 l 术 ， 。tl p 协】 。儿l ，j i 一1 图2 5 二阶- a d c 模型 通过z 域推导，得到二阶a d c 的传递函数为： 1 9 浙江大学硕士学位论文 】，( z ) = x ( z ) z 一1 + e ( z ) ( 1 一z 一1 ) 2 j 伊= ( 1 一z 一1 ) 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在式2 9 中，二阶a d c 中，信号传递函数仍为z ，但是四却变为了 二阶整形，如式2 1 0 。通常，在- a d c 前馈通路中，存在三个积分器，就称 之为三阶a d c 。其量化噪声就可以得到三阶的整形效果2 2 1 ，如式2 1 l 。 m 伊( z ) = ( 1 一z 一1 ) ( 2 1 1 ) 通过z 域向频域的转换，得到其幅频特性，如式2 1 2 ： l 胛( 刊= ( 2 s i n ( 万户) ) n o i s es h a p i n g 卜_ l _ 1 - 】一一l 芦2 一， l 早3 7 。l = 4 一l = 5 x一一一 - 一， ， 杉互 ， 五商蒯编国 ，一。 e 1 - 专- ? f r e q u e n c y f ，f s 图2 6 阶噪声整形效果 ( 2 1 2 ) 随着a d c 阶数的增加，噪声整形效果愈加明显：带内的噪声被更加的 抑制，更多的噪声被整形到带外。通过对残留在带内的噪声加以积分，得到了带 内残留噪声总能量为式2 1 3 ： 蛳k 一一= 两意知 泣聊 浙江大学硕士学位论文 每增加一倍过采样率d 隙，可以增加( 缸+ 3 ) d b 的信噪比，即是增加+ o 5 位有效位数口o 】。但是，系统的阶数不能无限的提高，借以实现高的转换精度， 因为高阶反馈系统都是条件稳定的【2 0 1 。现在主流的设计中，a d c 不会超过5 阶整形。 2 3 降采样滤波技术( d e c i m a t i o nf i i t e r ) l 梳状 1 | 。s 艄h 半带滤波器 2 h 半带滤波器 上2h 鬻 i 滤波器 图2 7 降采样滤波器的结构 降采样滤波器的作用主要有三个：首先，滤除带外的量化噪声口3 1 。在噪声 整形中，大部分的噪声被整形到了带外。滤波器需要将这一部分的噪声给予滤除。 从而信号带宽之内，只有信号能量，以及残留的少量噪声，高精度的转换得以达 到。再者，降采样滤波器需要将数据流降低至奈奎斯特频率口4 1 。这个过程是对 过采样技术的逆过程。最后，是避免混叠的出现。降采样滤波器的结构，由梳状 滤波器，半带滤波器，斜率矫正滤波器，以及降采样器组成【2 5 1 ，如图2 7 。梳状 滤波器结构简单，实现起来非常方便，采用它来将频率降低至4 倍的奈奎斯特频 率。每一个半带滤波器将频率降低一半。最后斜率矫正滤波器用来矫正信号带宽 内的衰减【2 3 1 。 2 l 浙江大学硕士学位论文 第三章a a d c 系统设计 本章针对设计目标，从低功耗的角度，对一a d c 进行系统设计。内容包 括系统拓扑，系统参数，m a t l a bs i m u l i n k 模型，以及非理想性因素的分析。 3 1 系统拓扑设计 3 1 1 过采样率，系统阶数，量化位数 一a d c 有三个重要的系统参数，分别位为量化器位数m 系统阶数厶以及 过采样率d 娘【引。这些参数的不同组合，构成略有差异的量化噪声整形效果，如 式2 1 3 所示。带内残留噪声总能量，与d 昧的儿+ ，幂次成反比关系【2 0 1 。从而， 增加d 娥，或者增加三都能够明显降低残留噪声。增加量化器位数m ，将减少 量化阶梯。为了实现设计目标，即转换精度在9 8 d b 以上，可以借助下三图。图 3 1 ，图3 2 ，图3 3 给出了不同量化器位数下，踯与傩r 大致经验曲线【2 0 1 。 e m p i r c a is q n ri i m i tf o rm o d u i a t o r s t h1 - b nq u a n t i z e r s 图3 1s q n r 与o s r 关系曲线( m = 】) 浙江大学硕士学位论文 e m p i r i c a is q n ri i m nf o rm o d u l a t o r s 澌t h2 - b 硷q u a n a z e r s 图3 2s q n r 与o s r 曲线( m = 2 ) e m p i r c a is q n ri i m i tf o rm o d u i a t o r sw i t h3 _ b nq u a n t 眨e r s 图3 3s q n r 与o s r 曲线( m = 3 ) 根据设计目标，以及给出一定的余量，可以找到所有能够实现设计目标的解决方 案，如表3 所示。 表3 给出了能够实现设计目标的解决方案，共计有1 1 种。如果量化器的位 数超过1 位，反馈器件间存在不匹配性。而这种不匹配性，没有受到噪声整形效 浙江大学硕士学位论文 应，从而降低系统的转换精度圈。为了消除反馈器件的不匹配性，需要在反馈回 路中使用动态器件随机算法( d y n a m i ce l e i n e n tr a n d o m i z 毹i o n ，d e r ) 【2 】【4 】【2 0 1 。所以 量化器位数超过1 位，将给反馈回路的设计增加难度。从而本设计重点关注表2