（微电子学与固体电子学专业论文）高阶ΣΔ调制器研究与设计.pdf

摘要 南开大学博士学位论文 解码芯片模拟前端电 路。设计从艺调制器的规格要求出发，先在行为级综合 得到噪声传输函数， 然后运用包含了电路噪声和非理想因素的 5 加ul 址 模型进 行仿真， 最终用电 路实现。 第一个设计为 2 56 倍过采样的 三阶艺 调制器， 具 有8 班 七信号带宽和1 4 七 i t 精度， 主要用于声频信号处理: 第二个设计为64倍 过采样的五阶调制器，具有1 00kl 七信号带宽和16七 it 精度， 主要用于高品质音 频信号处理电路，设计中采用1 一t 量化前馈结构以降低调制器对电路中运放的 性能参数要求。电 路设计仿真表明， 在 3 v 电 源电 压工作时两者的功耗分别为 3 m w 和 13. 6 m w。 话带 编 解 码芯 片 模 拟前 端电 路包 括三阶艺 调 制 器， 带隙 基 准电 压 参 考源、 开关电容滤波器、输入缓冲器和输出驱动器等电路。文中设计的新颖的启动电 路，可以 彻底避免带隙基准电路在上电过程进入第三个简并点的问题，使带隙 基准能够可靠地为调制器电路提供参考电压和偏置电流。整个电路用 0. 25um c m 0 s 工艺 设 计 并 进 行了 多 项目 晶 圆 ( n 田 哪流 片. 最后，论文对设计的e调制器进行了测试和分析。文中提出了用数字代 码作为激励源的方法侧试e调制器，可以降低传统模拟测试方法对测试环境 的要求，并提高测试结果的准确性。侧试结果表明，芯片功能正常，性能参数 测试结果与仿真结果较好地吻合。 关键词:艺调制器，噪声功率增益，样式噪声，稳定性，行为综合 一 n一 南开大学博士学位论文 abs t r a ct s i n ce its in ce p ti o ninth 。已 盯 l y19呱 ， si gm a- d e l tam odu l a t i on 腼 cvof ved t 址 。 u gha num b erofg e n e l a t i ons an d 刀 o ws 。 口 dsasone ofthc m ost pop u l arm e t h o ds to加p l e m ent thc 加 t e rf a ce b e 。 万 ccn 胡目 o gandd i gi 回 si gnals inv l s i syst e m s . c 冶 口 b in ed w i th ove rs amp ling如 dnoisc s h a p in gt 以 么 苗 ques， si g 叮 a 一 d cl ta data c o . v e rt e rs眺 口 p able ofm o v ln g th o q u 助血时 沁 刀 加is e 五 习 mthe l 口 甲 臼 翔 u e . c y b and tothe hi gh 云 叫 u e 刀 夕 y b and，1 ea d in g toa gr eat n n p r 0 v ement ofs i ，al . t o- nois e ratfo (s n r ) .丁 七 。 沁 sc o ” ， 已 比 。 旧 团免 了num erous ady 胡t a g es over nyq u l s t . ra t ed ata c o n v 已 rt e 招 . on th e onc h 助d ， they ac 址 evc 址 ghre s o l u t i on即 目 o g todi gi talconv e rs i on u 的u gh e xt 。 坦 i v euseof d i gi tal s 吵 al p n x 笼 5 血吕 w 址 ch 眼 即 1 切 lb l eto 悦 加 p l e m . ted ， 行 th加 s t d e 创 犯c m o s di gi 因 比 印 j 助 d w o 比in此 1 口 w 一 o lt ag e 。 ” v n q 口 口 呱 山 以 15 如 cr easin gl yd o . an d ed by a dvad 以 月 c m o smanufa ct u r e t ec 加0 1 o gi es andby portab l cs y s t e lns， on th co th er 加 川 d，朋 目 0 95 1 9 叮 a . d c lta . 阅 川 掀 试 thc c o r eof s i 邵 皿 -d e l tadatac o n v c rt 气 b o w s l 口 即叨 朋 l ti vi t yto th c 加伴 d 改 为 ons ofits b dd in g b1 oc ks ， w hi ch gr ea t l y r e l 盯the 叫u 七 e m .t ofanalog d 代 川 匀 m at c 创 恤 gtol侧 住 口 a 活 . 丁 七 .口 . 以 甲 t of noisc s 坛 甲 加 肠w 址 比 isce n t r aito 5 1 ，a -d e l ta 功 odu l a t i o n，con 血u cstober e 6 n edadd tobea p p li 目to， . 5 1 邵 na -d e l ta口 o d ul a 妞 汀 w i ths 加 gl e-bitqu叨 tiz灯isa 瓦 咧y no过 运 ear dynalmc y s t cm. f 匕 u o w 川 g a r 沙 万 ew ofthc b asic th e o ry，a r e s e ax 比如d di 从 池 ss i o n ofn o 川 i n 灯 c 恤 . 山招 ，d e s l gn p r oc曰ur o. dt c s t in gm e th 创 如 for s 加 gl e 七 i tsingl estage 51 乎 qa -d e l tam odu la t orarc ca 币 edo u t inth i s 山 e s is . f 加ti 苏山econ cepts of ovcr-sam p 血9皿d加i sc s b a p 吨 are 加 tr o duc e d ， and 讲而皿叨 ce p ar 山 叮 e t e .of si 邵 ua . d c l tam odu 】 a t o rsare p r c sc n 宜 ed. topo】 o gi es 如d t 以 么 川 questh at址 gh-o r d ersi g 口 a . d e l tam odu l a t o r s u s u ally ad 即t edare al sodep i ct ed. s in glc七 it si gm a-de l tas b o w s in t e ns i v e d 0 ul i n ear 比盯 a ct e rist i cs ， su chasp a t t e mnoi se and pot e n t l alinstab正 t y is 泌 etc. the cau scof p a tt e mnoisc ise x p 】 o r 比台 。 mth e v l 曰 曰of肠 过 t cy cl c by m 。 田 s ofm athemat i o ala n a l ysis . res e ar cbd e m o 刃 。 习 t e s t b a t hi gb-ord erai g 旧 a 刁 e l tam o d u l a t o rs e x h i b i t b e t t e rp at t e 功加isc p e ri b n . ance th 四 1 口 w -o r d e r o . e s . b y p r o p crly d c ai 加 g withth c n 刀 alnoise 恤the c 七 cui 仁 1 云 刀 i t cycl e 诩 户 由5 灯 日 ct 南开大学博士学位论文 悦b r o k 叽 山 璐p attem n oise iss u p p r e s s e d . f u n 五 enn ore， th c con c . p t o f n o i s e p ower g a i n ( 柳o) for si g 口 称 一 e ltam odul a to r is ili us tr a t edind e 面l withquas i 一 l in e arm o d el， andemp 沉 cal eq ust i o ns 眼 summanz ed to e v aj ua t e th es ta b i lit yof s i gin a- de lta 功o d u l a t o 乙 s e c o n di y，a r e n o v a t ed b e b a v l 。 司 si g m a 一 d e l t a m o dul a t o r s ynth e s l s m etho dis p r e s e n t e d . ind s m e th od， zerosand pol esfo r th o nois 。 毛 出 ” fcr f u n 比on ( 闭习 are d e s i 即eds ep ar a t e l y i a 刀 切 口 eri以 伪功 p u ta t i on p r o gr am isp r o 侧 滩 edtos 抑th es 泳 此 刊 丁 下 、pol es， 助 dn p ge m p 试 司 切t e ri aisap p li ed togu t 比 山 。s t a b ili tyof d c s i gned n t ethes yn th e s ism e t h od of aj rc h i t ec 加间 coc 击 d e n tsandanal yt i 司 闪 朋u 。 此ofs ta t e v a d ab le 别 习 l i n g for s l g m a- d el tamodula t o r 峨 目 劝p r e se n t ed. n 山 d l y，妇 万 o hi 沙 司 川 改s i n gl e s ta g e s in gl e 一 bit si gma 一 d e 】 tam odu l a t o rs即d a c o d e canal o gfront-e o dd 玫 刀 i t 毗 加p l emented in 面sth e s is . 丁 七 。n 丁 下 sof . 叼u l a t o 招批 s ynth e s 汤 ed a c c o r 山 gto 阮 介 闷 u l r e id ent ofd es i gn s p 心五 。 6 。 氏 曲以血 1 即el . 0 七 姆助dn o 。 一 ide al 臼口o re 场ec 翻 肚.司 劝 伙k ， 加勿 . 以 刀u ni 创比 a 如u l 初 lk m odel t 七 e石 花 td 攻 刀 i tis a3 rd心 r d er m odu l at or w l th 8 u 七 si gnal b alld 初d th， 256 x ove p lidg 别 抓 l o andl 今 b it p r 以 公 1 叽 w hi 比issu i ta b l e for the 钧1 “ 七 阴d ai gnalp t o a 岛 s m gt 七 e 别 沈 刀 n d onc isa s th -o r d er功 odu l 刹 比 汀 w l thl 加匕 七 幼 邵 目b 叨廿 即 i d 城 64x ov e rsam p l in g r a t i o ， an d16 . bi t p r 心s i o n，w hi chiss u p 户 招 ed tobc a p p li ed tohi gh p e ri 沁 n 刀 a n c oaudio si gnal护 心 ce ss 川 gs y s t c m ; f 。 记 . 肠 p 胃 ard . 侧 苗 t 。 。 刀 比isa d o p t edinth j s m o d u l a to r to托 公 the p e d 劝 n 刀 胡c .r equ ” m e n tsof 叩m石 on 幽p li 五 峨 加川 . t i onre s u 】 t 比 。 w s th e s ta t i c pow ercons ij 匡 n p t i o nfor th es e 妇 加m odu l a t o rsis at 幻 u t 3 m w幼 d 13. 6mwat3 v pow er su 刚 y 抢 sp 。 以 i v e l y. 、 b i cc 七 胡d c o d e can a l og 丘 o n 卜 切d d 欧 刀 i t co nsis tsof3 rd 刃 r d ers i glna 刁 c l ta m 冈u l a t o r， b 胡 d g a p v o 】 te g c l e fe r e n ce ， 血gl e -b i t swj t c b ed . ca p a d t odi gi 旧一 助 目 09 c o . v e rt e 加 p u t 胡 t i 一 止as 吨 bu月 七 r an do u t p utsmooth in g 恤erc 七 cui ts . anov el 5 扭 rt 一 upd i 刀 i t d e s i gd edfor b an d g 即vol t a g e r e fe r e n c o d 几 山 t p t o v l d esth e c 场 p w i t b 5 。 面 ler e fe r enccv of ta ge an d b i as c 叹 比 e d lthc w hole面pisdcs l gned 恤0. 25 um c m o s t ec h n ol o gyand taped-o u t withm u 】 t i . p r oj ect 从 恤 fe r ( 州 田 助 sh u t t l e . f in al ly， th c 丘 b ri 。 山 月c 址 pist 郎 ted an dan al yz喊 an ew te s t 加 g ar d 叮 t 。 =t u r e w b j 比 e 刀 曲icthe usc of山 gi tal code ass t 油ul ustod ct e n 刀 i n e si g l n a 一 d e l tamo d u l a t o r ， 5 拌而仙即ce is p r 0 pos ed- lts s 汕vli吮yrelax es th er e q u 1 t eme d ts of te sting 一 iv 一 南开大学博士学位论文 env ironment 叨 d nnp r o v esthc a 以 为 r a c y of 七 习 d i ti o n aianal og s t 汕ul us ar cbi t 。 以 泊 r e . 工 人b s l l 翻 巴 口e a s u r e 刃 q ent r e s u l t inc o m p a ri s o nw 汕 s t in卫res u l t d e m ons 扛 at e stha t th ecb1 p w o rl 留w e ll ， andthc perform胡 ce s of s l g 口 a . 翻tam o d u l a t o r m a t比 th e re sultsof 公押叮山:51 ，a . d e lta m od u 城叭n o is e p ower g ai 乓 p a tt e 功 n o ise ，s tability， b e b avl o 祖 s ynth e s i s 一 v 一 南开大学博士学位论文 缩略语说明 缩 略语说明 a d c :彻目 电 . 卜d i 乡 因c 为 . v e 到 峪 r ， 模数转换器 dac :d i 乡 囚 . 公aj 司 ogc 冶 . v e 到 匕 r ， 数模 转 换 器 翻c :s y s 妞 . 切. a ( l i p ， 系统芯片 m o 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目的的 前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 储签 名 :多 独禽 夕 夕 力 乙 年11月 妙 日 经 指 导 教 师 同 意 ， 本 学 位 论 文 属 于 保 密， 在 少 年 解 密 后适 用 本授权书。 指导教 师签名: 争 泛 蜘 学位论文作者签名: 书 东 ， 工 21 ， 公 解密时间: 尹 1/ 年 11 月 妙日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密10年 ( 最长 10年，可少于 id 年) 机密20年 ( 最长20年，可少于20年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 储 签 名 : 朴。 丢 乡 时 了年 11月矛 0 日 南开大学博士学位论文第一章 前言 第一章 前言 第一节 数据转换器概述 人类生活在模拟的自 然界中 ，自 然界中信号在幅度和时间上是连续的。 为 了进行交流和沟通， 人们需要对得到的信号进行处理和交换。 模拟信号在传输 和复制的 过程中，很容易收到噪声的千扰，造成 信号失 真，从 而使信息受到损 失。而数字信号在幅度和时间上都是离散的， 这使数字 信号处理技术具备了 许 多模拟技术不可比 拟的优点。 数字信号在传输与复制过 程中，只要噪声电 平不 超过数字 信号的 翻转电平， 信号就可以无失真地得到恢复， 因此其抗千扰能力 强、易于 传输、 存储无损失、 精度高等优点，使数字技术在近几十年得到了迅 速的 发展。同时 集成电路技术的 发展使许多以前由 模拟技术完成的信号处理都 由 数字技术来实 现。 现代微电子技术的 发展， 尤其是 c m o s工艺技术的 发展， 使一个芯片可以 实现更高的集成度， 集成更多复 杂的系统功能，从而成为一个完整的 混合信号 系 统 芯片 ( s ys t恤 on.c p ， 5 0 口. 随 着c m 0 s 工 艺 的 不 断 发 展 ， 数 字 信 号处 理 电 路 变得 更 加 廉 价， 速 度 更 快。 数 据 转 换器 (oataon v c rt er)作 为 数 字 信 息处 理 与 现实模拟信号处理的 桥梁， 在现代混合信号系统级芯片 设计中一直占有非常 重 要的 地位， 图l l 给出了 信号处 理过程中数据转换器的位置。 在本论文中我们主 要 对 模数 转 换 器 l 刃 侧 山 目 ogto 压 91 回c 劝 刀 v 已 rt er ， a d c ) 的 设 计 进行 讨 论. 厂 二 二 一 困 一 丁 二 ， 栩毅 接 口 狱 字信 号 城 毅 樱接 0 图l l信号处理中的数据转换器 模数转换器主要分为两种:奈奎斯特率伽四u ist) 模数转换器和过采样 一 1 一 第一章 前言南开大学博士学位论文 ( ov哪田 叮 p 血9) 转换 器。 所 谓奈 奎斯特率模数转换器是指 采样频率等于或稍大于 信号奈奎斯特频率的 模数转换器， 它的输出数字量与模 拟输入采样值是 一一对 应的.一 般奈 奎斯特率 模数转换器包括并行模数转换 器( 曰 筋 ha d o、两步模数 转换 器口 切 介 成 印adq 、 流 水线模数转换 器(p i p e l i n c adq、 时域交织模数转换 器 仍功 e- interl eaveda i q、 逐次 逼近模数转换器( successap prox 加a t i v er e gister adc ，s ar adq、 算法模数转换器( 拟g o ri th madq和积分模数转换器 ( 玩te g at i ona d c ) 等 。 在奈 奎斯特率模数转换器的结构中， 模拟电 路部分包括前 置滤 波器、 采样电 路和 量化器 三部分， 如图l 双 a) 所示. 为了 达到较高的 精度， 系统对这三部分都提出了很高的要求。 虽然现在已 经研究出了多种电 路结构和 特殊工艺技术， 但是综合考虑电路的速度、功耗、 面积、 精度、工艺复杂性、 成本等各种因 素， 实现高精度的奈奎斯特率模数转换器仍然存在着相当 大的困 难。 奈去斯 特未样时钟 翻 目以 抢 入 粼 未样译特t化a ( a)奈奎斯特率a 况 高造 过采样时钟 撰担粉 入 两单低通 泣波昌 诵 侧冬 数字 泣坟吕寄存吕 (b) e八 民 圈1 2 a d c的基本结构 首先， t化器中元器件的匹配误差会引入非线性误差， 这些误差的大小决定 了 转换器所能 达到的精度。 例如在数字音频领域，为获得 1 (x m b的动态范围至 少需要16七 认 以 上的模数转换器， 如果采用 现代 标准c m o s v l s i 工艺技术， 元 件匹 配 误差 应小 于0. 00巧 %， 这是不能 实现的 刊。 采用现有的、不加修正的 电 路技术， 只能达到1 今 b i t 的精度; 经过修正的电 路可达到1 乐 b i t 或 1 b i t 以 上的 精度， 但是价格非 常昂 贵1 气 其次， 在奈奎 斯特率模数转换器中， 因为 采样频率仅等于或稍高于 输入信号 一 ， - 南开大学博士学位论文 第一章 前言 带宽的两倍，为避免高频信号混迭，前置滤波器的过渡带须尽量窄，这就要求 所采用的 高阶滤波器的 极点 位置很精确，而用模拟电路实 现这 一点很困难， 并 且常会给系统引 入非 线性相位特征。- 另外， 为保证转换器的 精度， 采样电路在具有较高速度的同时 应具有尽可能 小的寄生 效应， 保证足 够的线性度。 如果模数转换器中还包含保持电 路， 则该 电 路还必须具有小的电 荷泄漏和足够的负载驱动能力。因此，采样保持电 路的 精度也决定了 模数转换 所能 达到的 最高精度。 正是由 于上述因素， 限 制了 奈奎斯特率模数转换器的 精度。 现代v l s i技术 的快速发 展， 使集成电路的速度不断提高， 信号处理的采样频率也得到很大提 商， 这 样就 引 入了 过 采 样 技 术。 过 采 样艺 模 数 转 换 器 ( 伽。 p lin g d el ta 一 51 9 口 a a d o 正 是以 过 采 样 技 术 为 基 础， 将 模数 转 换 器 的 性 能 提 高 到 一 个新 的 高度 。 加，. 刀万件发令 ， .， 的， k， . 民， . . ， m 转换速率 . m 口 国 5 图 1 3 不同种类 a d c对比 ， . .， 口暇 与奈奎斯特率模数转换 器相比， 艺模数 转换器只 需要简 单的 前置滤波器和 少量的模拟电路， 如图l 2(b) 所示， 其精度不依赖于 元器件的匹 配精度和采样保 持电 路的精度，因此可获得更高的精度。艺模数转换器与奈奎斯特模数转换 器不同，它依靠过采样和噪声整形对模拟信号进行处理，把信号基带以内的噪 声推到高频端，最后采用数字信号处理技术来得到很高的精度和性能。 它避免 了 对元器 件匹配精度的 较高要求，同时可以 采用标准数字 c m o s 工艺实现， 并 充分利用 现代v l s i 的高速、 高集成度的优点， 实现传统奈奎斯特率模数转换器 所达不到的精度，己 成为实 现中 低速、高精度模数转换器的主要技术。图1 3给 一 3一 第一章 前言南开大学博士学位论文 出了不同 种类a d c在转换 速度和转换精度上的 对比。图l 4 给出 了不同 技术的 模数转换器处理后量化噪声的分布示意图。 笋“ /过 果 样 侧御常铸育气啥牢喇 瑞 1 2i-j z 图 l 4不同技术量化噪声分布 第二节 艺调制技术的历史和发展 从调制出现以后，1 9 46 年第一次提出了采用高速单比特数字信号对模拟 信号 进行编 码的 概 念。 1 954 年c u o er提出了 噪声整形技术卿。 iscs h 叩in 助 的概 念， 他的 基本思 想是采用反馈系统， 在当前取样中 减去前一个取样结果来衡量量化 误差， 从而提高采用低精度量化器的数据转换器系统的精度。 后来所流行的艺 调制的 概念最 先由b 。 “和丫 朗 u da于1 9 62年 提出。 1962年， span g 和s cbu lth ciss 对c ul t cr的系统进行了仔细分析， 并提出 了 改进的 方法 问 . 他 们建 议在反 馈回路中 加入别 叹滤波器， 用来预测并纠正 量化器 下一次 产生的量 化误差。 这个系统被称做 “ 误差反馈编码器. 在其后几十年， 艺调制器的基本思想得到不断发展。 19” 年兀t c 苗 e 在环 路的前向 通路中级联了多个积分器，同时 为了 保证高阶环的稳定， 他将d a c 的 输出 反 馈到 每个积 分器的 输入 端门 .1 9 85年， c 知 d y 发表了很 有影响的 论文叭 深入地阐述了二阶积分器环路艺 调制器的设计方法。尽管如此，二阶以上 积 分器环路的 稳定性还是有条件的，必须通过大量的仿真才可以确定。 1 9 87 年， 1 e 和， 记 面提出 了 高 阶稳定 环路的设计技术t，l ， 以 此为基础， 许多 集成电 路 设 计公司成功 地设计出 四阶、 五阶开关电 容积分器的艺 a d c产品，但 稳定性依 然是单级高阶艺 调制器设计中需要细致考虑的问 题。 19 86年， h a y as hi等 11 0 提出了另 外一 种稳定的高阶艺a d c设计 方法， 这 一 4 一 南开大学博士学位论文第一章 前言 种结 构 被 称为m a s h 伽ul ti s 幼 唱 e nois e s h a p in g ) 结 构， 这 是e 调制 器 历史 上的 一个突破。该结构的设计思想是采用稳定的一阶、二阶环路对信号进行量化， 并将量化误差传给下一级的 环路， 然后将两级的 输出在数字域中相加，得到最 终的输出 结果。 提高艺八 d c 性能的另外一种方法是在内部采用多位量化器，同时在反馈 回路中引入多位d a c 。 但是，多位d a c的非线性会对a d c性能产生严重的影 响 。 1 98 9 年 ， c ar le y 提 出 动 态 单 元 匹 配 技 术 1111 减 小 反 馈 环 路 中d a c 的 非 线 性 误 差，从而使得采用多位d a c的艺调制器成为一项实用的技术。 对艺调制器的理论分析，最简单的方法就是应用线性模型对艺调制器 系统进行处理。在这种模型中， 量化器这个非线性器件采用一个加性白噪声源 代替，然后应用成熟的线性系统理论，从而可以对信号和t化噪声分别进行分 析。 线性模型可以 较好地解释量化噪声的特性，并且能够对艺调制器的 部分 性能参数进行分析。 然而， 线性模型成立的前提是假设量化噪声为白噪声， 这 注定了它不能解释艺调制器的非线性特性，尤其是调制器中存在的样式噪声 印 加 1 即 ) 问 题 和 稳 定 性 问 题 等 【叫 . 采 用 非 线 性 系 统 理 论 对 调 制 器 进 行 分析可以加深对这些问 题的理解，但是目 前并没有一种明确的统一准则能对这 些特性进行全面的分析。 近些年来艺调制器的研究方向 主要可以概括为以下三个方面。 1 . 低压、 低功耗设计 现代便携式电 池供电系统如无线通信、计算和消费类电 子系统等对功耗提 出了很高的要求，同时集成电路器件尺寸的不断缩小也要求电路必须在低电源 电压下工作，这势必要对适合低压工作的调制器的结构以及运放和基准等结构 进行 研究. 近年有许 多 关于 这 个 方 面的 报道. 文 献阴中 研究了 在低 压环境 下不 同 种调 制 器的 结构， 文 献 1切 给出 了 在 低压生物电 势 应 用的 调 制 器。 文献【181 中 设 计了一个动态范围为9 6db ，带宽为l 4 mf 比 ，电源电压为l zv 的调制器，文献 11中 对调制器中 采用的。 t a 进 行了 研究和优化， 文 献1201中 对开关运放技术进 行 了详细的描述，并对低压下单元电路作了细致的分析，同时对功耗作了优化分 析. 文 献121 1 中 更是 针对不同结 构的 运放对调制器的 功耗和电 源电 压以 及过采 样 率进行了 解析分析， 并设计了l s vm a s h结构的调制器。 2 .大带宽和高精度调制器设计 一5一 第一章 前言南开大学博士学 位论文 大带宽一直是高性能a d c的重要指标之一。较低阶调制器而言，高阶调制 器在增加较小代价的前提下能够获得更高的信噪比，而应用多位内部量化器可 以直接提高a d c的 有效分辨率， 因 此对应用离散时间 模拟电路实 现的开关电 容 调制 器， 由 于 受 时 钟频 率限 制， 采 用高 阶、 低 过 采样 率并应用多 位 ( m u lti 一 b it) 量 化 是 实 现 高 带 宽 模 数 转 换 器 的 必 然 方 法 脚 ， 如 文 献 阎 采 用2- 卜 m 户 h 结 构 设 计了一个8 倍过采样率的宽带高分辨率艺a d c. 高阶艺调制器有单级结构和m a s h结构两种， 其中ma s h结构采用低阶 e调制器结构级联而成，具有良 好的 稳定性， 但却依然受样式噪声问 题的 影 响， 并 且 在噪 声 消 除逻 辑中 数字系 数 和模拟系 数的匹 配是决定其性能的 关 键 1刊 . 高阶单级e调制器具有良 好的样式噪声特性，但是它最大的问题是稳定性和 输入信号幅度的 折衷. 解决这一问 题需要进一步研究非线性系统的 稳定 性理论， 以明确对调制器进行设计优化的方向 和方法。 在多位量化中，我们需要对反 馈 到调制器输入端的噪声加以谨慎的考虑，因为它会经过信号通路直接传输到 调 制器的输出，因 此反馈环路中d a c的非线性严重地降低了调制器的性能。 在不 同结构中可以 对反馈d a c环路引入的非线性进行不同的处理。 最近，随着c m o s 无线接收机电路技术的发展， 适合于非零中频的窄带if 接收系统的带通艺 a d c成为了研究的热点。连续时间艺调制器由 于不需要 对开关电 容电 路进行充放电，并且o t a单元电 路的带宽和压摆率等要求也比 开 关电 容方式要简单， 对宽带信号的转换效率也高于开关电容电路实现方式，因 此设计 连续时间 艺 调制器也正成为 挑战 性的 方向. 如文献荃 祠 采用连续时 间 结构，实现了高中频，高过采样率、中等精度的带通艺冉 d c 。艺冉 d c的性 能是通过增加带宽和减少功耗的方式得到提高的，因此提高转换信号带宽并保 持低功耗工作是艺a d c发展的趋势。 3 .计算机辅助设计 目前大部分艺调制器的设计往往采用长时间晶体管级时域仿真的方法来 进行的， 但是 如何就调制器的各种性能参数的设计要求，在较短的时间内 就能 得到电路的主要性能参数，并对影响调制器性能的各种因素进行分析，就必须 开发适合于计算的各种辅助设计程序，能够在行为级上对系统的特性和电 路的 关键因 素进行预测和仿真。计算机的辅助不仅包括预测非线性系统的行为和 验 证各个模型理论的符合度，还应包括对电 路设计中难以准确量化的参量进行统 计和 优化。 近些 年 来 这方面的 研究 也 屡 见 报道， 文 献zbi中 对调制 器的 行 为 进 行 一6 一 南开大学博士学位论文第一章 前言 了建模， 开发了a s ide s和s d o p t + f r mg e 辅助设计软件， 在行为级上能够对 调 制 器的 结 构 和 调 制 器 的 性能 进 行 模 拟; 文 献 12n设 计 开 发 了s d n o 说程 序 用 于 对调制 器电 路中的 热噪 声 和时 钟抖动进行了 分 析: 文献1排 3 1 1 中d 户 j s y设计了 用 于优化调制器结构和其中模块参数的行为级仿真工具。如何对调制器进行更好 地建模并设计出更好的行为级辅助设计程序， 依然是现在研究的热点之一。 第三节 ea d c的应用 e a d c的 应用领域非常广泛。在现代语音通信系统中，公共交换电 话网 络 伊 u b li c s w i t曲 山 g tele p h o n e n e two rk，p s tn) 中 话带 语 音 编 解 码要 求13b its 线 性 分 辨 率 和s ks ps的 转 换 速 率; 在 回 波 对消 调 制 解 调 器 如c c n t ”2 和v 34中 ， 要 求12 16b i ts 的 线性 分 辨率 和s ks 声的 转 换 速率; is d n 系 统u型 收 发器 要 求 13 16b its 线性 分 辨 率 和50 1 60 幻 甲 5 的 转 换 速率; 在 xdsl山1 91 回s ub以 幻 b er l 恤 e ) 系 统中 ， 如 a d s l ， 擂 要 将包含 d 侧 叮 ( d is cr e tem ul 石 . to n c ) 的 整 个带宽 为 l i m h z的基带信号转换到数字域， 然后在数字域中 完全利用付里叶变换来进行 复杂的解调， 根据接收机所采用的结构不同， a d c的 精度要求为 1216b i ts 不 等 1洲 润. 无 线 通 信 系 统中 频 到 基 带 ( 企 砚 卜 b as o b 叨 d ) 数 据 转 换 接口 中 ， 同 相 和 积 分 伽币 抽 邵助 d qua dr at ur c : 如) 调制和解调电 路， 采用宽带带 通艺 a d c 是一个非 常合适的选择， 例如通用的g s m蜂窝电话信道要求中心频率在1 0 侧 任 七 ， 带宽为. 2 加kl 七。它把变频后的中频信号量化，通过数字化技术在基带内采用可编程数 字滤波器实现信道选择，它可以兼容多种r f 通信协议，提高了rf 通信接收机 的 集成 度， 从而大 大降 低了 成本1331. 数字音频是最能体现ea d c优势的应用。 普通消费级的数字音频产品要 求1648k f 比的带宽和1416bj ts的分辨率，专业级更是要求达到1822b i ts 的 精 度1341. 还 有一 类具 有更 高 精 度要求的 应用是 仪 器仪 表 测 盘， 虽 然它对 采 样 速率 要求很 ( 低于i ks ps ) ， 但是 要求更高的精 度即24b i ts ) . 由于艺调制器具有许多非常优越的特性，在现代集成电路测试中也得到 了 广阔 地应用13 习 ，因 此对艺 a d c的 研究具有非常重要的 现实意义。 第四节 本文主要工作及创新 本论文讨论研究了利用过采样技术实现艺调制器的基本原理，对开关电 一 ， 一 第一章 前言 南开大学博士学位论文 容艺 调制器的 基本结构作了阐述，并对 调制器的非线性特性， 尤其是样式噪 声和稳定性问题作了比较详细的研究，并总结提出了一些结论以指导调制器的 行为级综合设计。 文中 对高阶低通调制器的行为 级综合与设计进行了细致的 研究. 论文中采 用数值计算的方法来完成调制器噪声传输函数极点的综合，推导并提出了对通 用调 制器状态变量进行缩放的 解析公式。 附录中 还对调制器中的各种噪声和电 路非理想因素作了说明，并建立 了调制器的行为级模型，以方便对调制器进行 快速行为级仿 真， 预测所设计的调制器的 性能。 然后采用自 上而下的方法，从理论和行为级模型出发，设计了两个e调 制器电 路。 其中 一个为 信号带宽 4 k e 匕 、 信噪比 为 8 4 d b的 三阶调制 器， 主要用 于话带语音 编码器: 另一个为信号带宽1 (x)kl 仁 、 信噪比 为98db 的五阶 调制器， 主要用于音频编码器。 文中还设计了开关电容滤波器和带隙基准参考电 压电 路 以 及调制器的输入和输出驱动缓冲器电 路，与第一个调制器一起成为一 个完整 的 话带编 码器模拟前端电 路。 整个电 路采用0. 25um c m o s 工艺设计并进行m p w 流片。 侧试结果表明， 芯片工作正常，测试的 性能参数与设计结果 较好地吻合。 最后 对本文的工作进行了总结，提出 了不足之处和改进的 方法， 并对后续 研究工作的 开展作了 展望。 本 文 的 主 要 创新 工 作 在于 : 1) 对 调 制 器 非 线 性 特性， 尤其 是 稳 定 性 和 样 式 噪声特性 进行了 较为深入地研究，并总结提出了一些在实际电路中 破除 极限环， 降 低 样 式噪 声 影 响 的 结 论， 用 于 指导 调 制 器的 电 路 设 计; 为 采 用数 值 计 算 的 方 法 直接综合设计 调制器噪声传输函 数，并运用噪声功率增益作为稳定性判据 对调 制器的稳定性进行分析与判定，并推导提出了通用调制器状态变量缩放的解析 公式; 3) 调制 器电路设计中采用了 单级 1 一 量化的前馈结构， 减小了 调制器失 真 特 性， 降 低 了 对 运 放压 摆 率 和 带宽 的 要 求 ; 叼 设 计了 带 新 型的 启 动 电 路 的 带 隙 基准电 路， 克服了传统电 流模式带隙基 准电 路中启动电路的 第三 个简 并点问 题， 可 靠 地 为 调 制 器电 路 提 供 基 准电 压 和 偏 置 电 流 : 5) 在 调 制 器测 试中 ， 采 用了 数 字 代码作为测试激励源，大大降低了测试对高质量模拟信号发生器的要求，简化 了测试的条件和环境，提高了测试结果的准确性。 一 5一 南开大学博士学位论文 第二章 艺调制器理论基础 第二章 艺调制器理论基础 艺 数据转换器应用过 采样技术和噪声整形技术， 把我们关心的信号带内 的噪声进行频谱 整形，并把量化噪声推到高频端，从而显著地提高了信噪比 ， 它实际上是以速 度为代价来获得精度。这一章主要解释了艺 数据转换器的一 些基本概念，并从线性模型出发， 推导了与调制器性能相关的几个重要参数， 最后对几种最常用的e 调制器结 构和技术 进行了 说明 和对比。 第一节 艺 数据转换器的基本概念 e数据转换器，即采样速率远高于被转换信号奈奎斯特频率，并结合应 用艺 调制技术的数据转换器， 在近些年来得到了 非常迅速地发展。 这是因为 它可以采用数字 c mo s 的方法解决在奈奎斯特率数据转换器中比较难于克服的 一些关键问 题， 例如高选择性的模拟抗混盈滤 波器以 及对电路非理想因素的敏 感程度和噪声特性等等。这节中将对艺模数转换器的基本概念和结构等进行 阐述与讨论。 凡 (f)“调 例 器工 d 加 (n ) 厂一一，气丁犷一一一-一一一 1二a 气 j)于化 一姚_ _ 必 ) 杭液益洛渡耳 认 _二二， 二月 二一_一目_一_一_习 嗓声整形 数字信号处理 图 2. 1艺模数转换餐的结构 图 2. 1 是艺 模数转换器的结构， 一般包括以 下三个组成部分。 1) 抗 混叠 滤 波器 它消 除 输 入 信号中 频 率 高 于 采 样 频 率 一半 的 频 率 分 量. 过采样降低了 对抗混叠滤波器的要求，通常一个简单的一阶低通滤波器就可以 满足要求。 匀 艺 调 制 器 这 是艺 模 数 转 换器的 核 心。 在艺 调 制 器 中， 输 入 信 号 被采样并量化。它采用过采样和噪声整形技术，通过对量化噪声频谱的整形， 一 9一 第二章 艺调制器理论墓础南开大学博士学位论文 把大部分的噪声能 量推到高频端， 这些高频噪声可以 被后续的数字滤波 器所滤 除.艺 调制器的 输出 是在高采样速率下的 低分辨 率输出， 通常采用1 一t 量化， 输出 为 0 或 者1 的 p c m 码。 3) 数 字 抽 取 滤 波 器 这是 一 个纯 粹的 数字电 路 模 块， 可以 分为 滤波 和 抽 取 两个部分。在 滤除 调制器输出中高频部分的噪声能量以 后，数据经过抽 取， 得 到奈奎斯 特速率下的高分辨率的 p c m 数据输出。 抽取并不会引起有用信息的 丢 失，它只是去掉由于过采样而引起的冗余的信息。 图 2. 2 中 给出 了 图 2. 1 中 艺 模数 转 换 器中 信 号的 转 换 过程， 其 中图 2. 孙1) (a 4 ) 为 时 域 信 号 的 波 形 图 ， 图 2. 2 伪 1) 邸) 为 对 应 时 域 信 号 的 频 谱分 布 。 xt( f ) 气( f ) f. 几 ( 了 ) 伪 习 凡(n ) 凡恤) z j 叽/ 人(b4) 气(n) 圈2. 2艺模数转换器中信号的转换过程 一 1 0 一 南开大学博士学位论文 第二章 艺调制器理论基础 在上述三个部分中，艺调制器的设计最为困难。一方面，过采样大大降 低了 对抗混叠滤波器的 要求，使它可以 简化为一个简单的一阶低通滤波 器， 另 一方面， 抽取滤波器是一个纯粹的