（信号与信息处理专业论文）ΣΔ模数转换器的设计与研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 一a 型a d 转换技术是通过采用一a 调制器，利用过采样技术、噪声 整形技术和数字滤波技术，以速度换精度，达到在数字域进行高精度的信号处理， 在模拟域进行低精度信号处理，从而获得整体性能优越且易于集成的一种a d 转换技术。 在深入分析一a a d c 的基础上，采用正向设计方法：芯片定义一系统设 计一电路设计一电路仿真一版图绘制以及流片测试。最终，完成这款应用于音频 的一a a d c 设计。 详细论述了z a 模数转换器的基本原理、结构和实现。提出总体设计方案， 搭建了系统整体框图，并提出具体的设计指标。利用s i m u l i n k 进行了行为级的 仿真，并对算法进行了验证，仿真结果与预期一致。 一调制器完成了系统级的仿真，并对各个模块电路进行了详细的电路设 计，包括带隙基准电压源、运算放大器、电压比较器等的电路设计，对这些模块 电路进行了h s p i c e 仿真分析。最后给出了芯片的后端版图实现。该部分在新加 坡特许公司( c h a r t e r e ds e m i c o n d u c r o r m a n u f a c t u r i n gl t d ) 的 0 6 u mb i c m o s - r 艺线上流片成功。 文章重点分析了数字滤波器原理，设计出了梳状滤波器和半带滤波器级联的 电路结构。首先利用m a t l a b 确定系统行为级仿真，根据设计的滤波器结构完成 v e r i l o g 代码编写，用s y n p l i f y 工具实现综合，综合后代码可实现r t l 级和门级 电路，用h s p i c e 实现其基本单元，在版图工具中做出基本单元库，实现电路到 版图的映射，最终完成布局布线，得到整体版图。 最后是基于c r e d e n c e 公司i m sg e m i n i 测试仪的芯片测试，芯片测试内容 主要包括：测试板的制作、测试程序的编辑和i m s t o o l s 、l a b v i e w 软件的使用等。 关键词：过采样，噪声整形，数字抽取滤波，一调制器，模数转换器 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t z - aa d c sc a na c h i e v eh i g hr e s o l u t i o nb a s e do l lt e c h n o l o g yo f o v e r s a m p l i n g , n o i s e - s h a p i n ga n dd e c i m a t o r i tc h a n g er a t ef o rr e s o l u t i o n ，p r o c e e dh i g hr e s o l u t i o n s i g n a lp r o c e s si nd i g i t a lf 6 e l da n dl o wr e s o l u t i o na ta n a l o gf i e l d , t h e r e b yc a na t t a i n s u p e r i o r i t y t h a no t h e r sf o r i n t e g r a t e d t h ep r i n c i p l 龆o f - aa d c sa r ed i s c u s s e df i r s t l y t h e nt h ed e s i g nu s et h e t o p - d e w nd e s i g nm e t h o d 1 1 l ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nm e t h o d so f - ag o e sa r es t u d i e d b a s e do i li t , p r o p o s a lt h eo v e r a l ld e s i g n , g i v et h es y s t e mc o n s t r u c ta n ds p e c i f i cd e s i g ni n d e x b e h a v i o re m u l a t i o ni sb a s e do ns i m u l i n k , t h e nd e m o n s t r a t et h ee m u l a t i o no u t c o m e a c c x d i n gw i t ht h ea n t i c i p a t er e s u l t 办ed e s i g no f - am o d u l a t o r sf i r s t l yi st h es y s t e ml e v e le m u l a t i o n , t h e n d e s i g ni nd e t a i lo fe a c hm o d u l a rc i r c u i t , w h i c hi n c l u d eb a n d g a pv o l t a g es o u r s , o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , c o m p a r a t o ra n d s oo n u s i n gt h eh s p i c et oe m u l a t et h em o d u l a r c i r c u i t a tl a s t , a c c o m p l i s ht h el a y o u td e s i g n t h i sp a r tw a ss u c , o 瞎so n0 61 jm b i e m o sp r o c e s sw i t hc h a r t e r e ds e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gl t d t h ed e s i g no fd e c i m a t o rf i l t e ri si m p o r t a n t t h ec o m bf i l t e ra n dh a l f b a u df i l t e r a r es e l e c t e d ，f i r s to fa l ld e f i n i t et h es y s t e m , a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eic o m p i l et h e v e r i l o gc o d e , i ns y n p l i f yc o m p l e t et h er t l a n dg a t ec i r c u i t , t h e nr e a l i z et h eb a s e u n i t ea n dr o u t e , m a pt h ec i r c u i tt ol a y o u t ，c o m p l e t et h ew h o l el a y o u t t e s tr e s u l ti sb a s e do ni m sg e m n it e s te c l u l p m 锄t t h em a i nc o n t e n to fc h i p t e s t i n gi si n c l u d e dt h a tp r o d u c i n gt h et e s tb o a r d ，c o m p i l i n gt h et e s tp a t t e r na n du s i n g t h es o r w a r eo f i m s t o o l sa n dl a b v i e w k e yw o r d s ：o v e r s a m p l i n g , n o i s e - s h a p i n g , d e c i m a t o rf i l t e r , 一a m o d u l a t o r sa n d a d c h 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。据我所知，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，也不包含为获得北 友王些太堂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中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：1 长强l 签字日期：毋年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭友王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权j 友王些太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，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：z 舌 复 签字日期：年月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 2 导师签名：芳岩峙 签字日期：年6 月f 日 电话： 邮编 北方工业大学硕士学位论文 1 1 选题的来源与意义 第一章引言 现实世界中的物理量大部分是随时间连续变化的量，即大都是模拟量，如光、 电、声音、速度等。在研究过程中，经常需要处理这些信号，如检测，变换，滤 波等。以往这些过程都是用模拟系统来实现的。随着微电子技术，数字信号处理 技术以及计算机技术的发展，数字系统得到快速发展。 数字信号在信号的幅度上和时间上都是离散的，数字信号系统与模拟信号系 统相比具有很多优点：稳定性好，抗干扰能力强：便于传输，存储无损失；精度 高，集成度高，成本低；特别是方便数字计算机处理。因此，随着计算机的硬、 软件技术和数字信号处理技术发展的日新月异，数字技术也得到了飞速发展，渗 透到各个技术领域，各种以数字技术为基础的设备、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。 数字系统处理对象是数字信号，因此在应用数字系统处理模拟信号时，必须 先将模拟信号转换成数字信号，就需要模数转换器( a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r ) ， 简称a d c 。模数转换器的作用就是将在时域和幅度上都连续变化的模拟信号， 转变成在时域上离散，幅值上量化的等效数字信号。 随着多媒体技术和第三代移动通信的快速发展，对语音、图像、数据等多媒 体技术提出了更高的要求，使得模数转换器件向着更宽频带和更大的动态范围的 方向发展。特别是在汽车电子、消费类音频( 例如m p 3 ，m p 4 ，手机多媒体， 数字电视等) 、个人计算机( p c ) 快速发展的推动下，数字多媒体技术发展更是 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得到广 泛应用。 a d 转换器的工作过程由三个基本转换过程构成，即采样、量化和编码。根 据采样率可以分为两种类型l l ：传统的n y q u i s t 率a d 转换器和过采样a d 转换 器。传统的a d 转换器( 如积分型、逐次逼近型、并行比较型等) 大多是根据采样 定理用两倍于信号频率的采样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，最后转换码制用二进制码元素来表示量化电平的大小。这 些类型的a d 转换器都是根据采样值幅度的大小来进行量化、编码的。分辨率 为n 位的a d 转换器满刻度电平被分为2 n 个不同的量化等级。提高a d 转换器 的分辨率，即是提高区分2 n 个不同等级电平的硬件电路。由于这些电路元件匹 北方工业大学硕士学位论文 配要求高、需要较复杂的比较网络和高精度的模拟电子器件，所以传统采样原理 的a d 转换器要提高分辨率，实现就非常困难了。因为对于一个n 位的a d 转 换器，每个采样值都编成n 位的码。在这些高精度采集系统中，在a d 转换 器的前端除了设置抗混叠滤波器外大都还需要设置专门的采样保持电路，增加 了采集系统的复杂度。另外传统的n y q u i s t 率a d 转换器对元件匹配有较高的要 求，这就大大限制了传统n y q u i s t 率a d 转换器的精度。因此，传统的奈奎斯特 a d 转换器不适用于要求高分辨率、高集成度、低功耗、低成本的数字音频应用 领域。 而采用了过采样、噪声整形和数字抽取滤波等技术的一模数转换器在以 下几个方面占有独特的优势： l 、高精度 随着科学技术的发展，人们对模拟数字转换器的精度要求越来越高。对现代 集成电路制造工艺来讲，一aa d 转换器已经是实现高精度转换器的主流方 法。 2 、高线性 一调制器的结构是用一个内部较低精度的转换器来转换模拟信号，然 后运用过采样噪声整形原理扩展转换器的动态范围，而这个内部转换器由于精度 较低，所以可得到比较高的线性度，极限情况下，内部的模数转换器可以精度低 到l b i t ，此时，转换器简化为个比较器，在这种情况下，一aa d 转换器可 以获得最高的线性度，因为对于一位量化来说，不存在量化台阶之间的非线性失 配。 3 、便于和数字系统集成 在集成电路生产中，数字电路的设计工具和方法比较成熟，集成电路生产工 艺通常也是针对数字电路进行优化的，而模数转换器属于大规模数模混合电路， 数模混合电路关键部分往往是模拟电路，对于高精度的模拟电路，针对数字电路 优化设计工具和生产工艺难以满足要求。s o c ( 片上系统集成) 是现代电子系统 的趋势，由于z aa d 转换器对模拟元件的精度没有很高的要求，因此可以用 和数字电路工艺完全兼容的生产条件进行一aa d 转换器的生产，因此应用 一a a d 转换器可以方便地和数字电路集成，实现真正意义上系统集成。 尽管一的概念在这个世纪中期就存在了，但是近2 0 年这种方法才变得 活跃起来。这种方案之所以没有在当时获得实际应用，是因为当时技术的局限， 特别是数字抽取滤波器的实现困难，因此没有获得实际应用。随着集成电路工艺 技术和数字信号处理技术的不断进步，z aa d 转换器得到了更进一步的发 2 北方工业大学硕士学位论文 展，并且在音频信号处理领域比较成熟，特别是上世纪9 0 年代以来，一aa d 转换器获得了空前的应用和发展，并在高精度数据采集，特别是在数字音像系统， 多媒体，地震勘探，声纳，电子测量等领域获得了广泛的应用。但因为一a a d 转换器是以速度来换取精度的，所以速度是制约它进一步发展的重要因素， 目前一aa d 转换器能达到的最高的转换速率为2 m h z 左右，其在视频领域的 应用处于研究和开发阶段，其应用领域将会得到更大的扩展。 高精度是d 转换器非常突出的优点，通常转换的精度都在1 6 位以 上。目前国际常用的性能指标如表1 i 所示 2 1 t i l l 表1 1 国际一a a d 转换器性能指标 编分辨率信号带采样频率过采样调制器量化器应用 号 ( b i t s ) 宽( f s )( f s )率( o s r )结构位数 l2 04 9 2 h z1 2 8 k h z1 2 8 四阶l b i t仪器 2 2 05 0 0 h z 1 2 8 k h z 1 2 8 四阶l b i t地震 测试 31 34 k h z4 m h z5 0 0 一阶 l b i t 音频 41 3 4 l 【h z1 0 2 4 m h z1 2 8二阶l b i t 音频 51 62 0 5 k h z5 2 5 m h z1 2 8二阶4 b i t s 音频 61 82 4 k h z6 1 4 4 m h z1 2 8 四阶 4 b i t s 音频 ， 71 62 4 k h z3 0 7 2 m h z 6 4 二阶 l b i t音频 81 72 5 k h z6 4 m h z1 2 8 2 一l 互l b i t音频 叠 91 44 0 k h zl o 2 4 m h z1 2 8 二阶 1 b i ti s d n l o1 3 4 0 k h z 2 5 6 毗z3 22 一l 互l b i ti s d n 叠 l l1 51 0 0 k h z3 2 5 m h z1 62 2 23 级 1 21 61 6 0 k h z2 0 4 8 m h z 2 4 2 一ll b i t 1 31 42 5 0 l 渣i z3 2 m h z3 2 四阶 l b i t 1 41 2l o ( 蚍5 0 m h z2 02 11 和 超频 3 b i t率音 响 我国目前a d c 的发展和国际水平相比还存在着较大的差距，成熟的产品也 较少。而随着我国消费类电子产业和多媒体产业的快速发展，自主开展高性能， 3 北方t 业大学硕士学位论文 高分辨率，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研制所 必需的。正是在此前提下，开展了本课题的研究工作。 1 2 一a d o ：主要研究方向 目前国际上z 一a d c 的主要研究方向和成果有： l 、提高一a a d c 的速度 由于一aa d 转换器本质是用速度换取分辨率，因此提高转换器速度的方 法主要是提高调制器噪声整形的阶数，从而可以在不损失系统信噪比的前提下， 减低系统的过采样率，使转换器的转换速度提高。另一种方法是一a 调制器内 部的量化器采用较高精度的转换器，虽然在一定程度上减少了一调制器高线 性和电路误差容限高的特点，但在某些需要较高转换速度的场合，通过调整设计， 可以使转换器同时拥有高精度和较高的速度。 2 、稳定性技术 由于高阶调制器中的开关电容积分器、量化器容易产生过载，如何能够在 实现好的噪声整形的同时达到高稳定度是一个研究方向，目前提出提高稳定度的 方法分为三类：第一类是用稳定的低阶( 一阶、二阶) 调制器级联而成高阶调制器 ( m a s h ) 结构3 1 。第二类是采用多位量化器，多电平反馈结构【4 1 。第三类方法 是针对高阶单环路调制器的，主要方法有通过限制调制器输入范围、改变各积分 器输出信号、外加检测过载信号并复位网络，以及使用前反馈和反馈网络等方法 来置稳。 3 、噪声整形技术 不同结构的一调制器对噪声的压制能力有很大不同，比如某二阶的调制 器对噪声的抑制能力也许高过某三阶的调制器。对于同阶的调制器来说，不同的 参数将导致不同的噪声整形能力，如何能在结构上或基于某种结构的参数上进行 优化来达到最佳噪声整形是研究目的。 4 、低电压 现代的消费类电子产品和便携式电子产品通常使用单节电池或两节电池供 电，供电电压一般为1 5 v 一3 6 v ，并且要求有比较长的工作时间，而电池容量 是有限的，这就要求采用低功耗电路。因此，迫切需要低电压、低功耗的转换器。 目前，对于一a 模数转换器的低电压研究大多在一调制器的积分器和比较 器上。例如，使用阈值较低的晶体管，通过优化它们的结构达到低功耗的目的， 在积分器中使用单极运算跨导放大器( o t a ) 也是设计低功耗转换器常采用的方 4 北方工业大学硕士学位论文 法阁。 5 、多位结构的z 一调制器 多位结构的调制器可以提高转换速率和分辨率，并且能够增加调制器的稳 定性。多位结构的调制器中含有一个n 位的并行模数转换器和一个n 位数模转 换器，这种结构在大规模混合信号集成电路中实现困难，其线性度也比单比特量 化差。 6 、带通一a a d c 传统的一转换器是基带信号的转换器，而在现代无线接收系统中，有很 多信号是高频的窄带信号。为了使一调制器应用在这些高频窄带信号上，提 出了带通的一a 转换器1 6 】。 1 3 论文主要工作 本课题采用自上而下的正向设计方法，需要完成系统设计与仿真，电路设计 实现与仿真和版图绘制等几个主要步骤。论文的工作主要集中在：在深入分析z 一调制器原理的基础上，确定系统性能指标，在系统设计阶段中选取合适的量 化器位数、调制器结构和阶数以及过采样比；通过研究高阶调制器稳定性条件， 确定了稳定的输入范围和相应的噪声传递函数；并用m a t l a b 进行仿真，调整 系数以获得调制器的最佳性能，最终实现了稳定的四阶一调制器，为本课题 设计合适的调制器结构。在电路设计阶段，主要完成模拟前端电路的设计和仿真， 包括带隙基准电压源、运算放大器、比较器、两相非交叠时钟以及基准电压源等 部分，主要使用h s p i c e 工具进行仿真，最终完成电路后端版图设计。数字部分 的设计，采用多级抽取，用m a t l a b 仿真确定滤波器结构、阶数与系数，达到 稳定，利用硬件描述语言完成r t l 级仿真，最终实现可综合。测试部分，主要 是基于c r e d e n c e 公司的i m sg e m i n i 混合信号芯片测试仪对芯片进行动、静态 测试。 1 4 各章节安捧 第一章主要介绍a d c 的作用，一a a d c 的优势及发展方向，论文的主要 工作和各章节安排。 第二章以过采样、噪声整形和数字抽取滤波三大核心技术为基础，分析了 一模数转换器的原理。详细分析了一阶、二阶以及高阶调制器的传输特性和信 噪比。并最终确定了系统框架。 5 北方工业大学硕士学位论文 第三章给出了论文设计的z a a d c 芯片参数及设计指标说明。 第四章根据z 一调制器的特性，设计了对电路参数不敏感的四阶一a 调 制器，并通过m a t l a b 仿真确定了合适的调制器系数，利用s i m u l i n k 对一aa d c 进行了行为级的仿真，仿真结果与预期一致。 第五章是数字抽取滤波器的理论设计，包括梳状滤波器和半带滤波器。 第六章是抽取滤波器的电路实现，设计流程主要是首先利用m a t l a b 确定系 统行为级仿真，根据设计的滤波器结构完成v e r i l o g 代码编写，于s y n p l i f y 中实 现可综合，实现r t l 级和门级电路，于h s p i c c 中实现其基本单元，在版图工具 中做出基本单元库，实现电路到版图的映射，最终完成布局布线，得到整体版图。 第七章是z a a d c 电路设计，包括带隙基准电压源、运算放大器、基准 电压和电压比较器电路，以及它们的h s p i c e 仿真结果，最后完成了a d c 的版图 设计。 第八章是基于i m sg e m i n i 测试仪对一aa d c 进行测试，根据样片的特 性搭建了芯片测试板，完成夹具板的连接，利用工作站的i m s 软件程序对芯片 进行测试，最终得到芯片的动、静态特性，基本符合设计要求。 第九章给出了论文的结论与展望。 6 北方工业大学硕士学位论文 第二章一模数转换器 一型a d 转换技术是通过采用一调制器，利用过采样技术、噪声 整形技术和数字滤波技术，以速度换精度，达到在数字域进行高精度的信号处理， 在模拟域进行低精度信号处理，从而获得整体性能优越且易于集成的一种新型 a d 转换技术。由于这种a d 结构的模拟电路部分相对传统数据转换器而言比 较简单，由数字电路完成主要的数据转换工作，迎合了v l s i 技术的特点，成本 低，功耗小，特别适合于中低频的应用，如音频和信号测量，以及用于高频窄带 信号处理。本章研究一转换方法的工作原理，并对一a 型a d 转换器的 结构、性能进行分析，并重点介绍了一a 调制器结构及其性能指标和数字抽取 滤波器。 2 1 一a ，d 转换器概念 一a ( s i g m a d e l t a ) 模数转换器是一种新型的高分辨a d 转换器。它由相 对独立的z 一调制器和数字抽取滤波器两部分组成。如图2 1 所示。 模拟信号数字信号 图2 1z 一模数转换器结构 z a 调制器将输入的模拟信号以高于n y q u i s t 频率若干倍( 典型为6 4 1 0 2 4 倍) 的频率进行采样，随后进行低比特( 常为l 位) 量化，再将这种高采样率、 低分辨率的数字信号经数字抽取滤波器进行抽取滤波，最终获得以n y q u i s t 采样 率输出的高分辨率数字信号。 一a 转换器结合使用过采样、噪声整形、数字滤波这三项关键技术，从而 具有对输入信号呈低通、对量化噪声呈高通的噪声整形特性，再通过数字滤波可 以实现高分辨率的数据转换。 2 1 1 过采样 过采样是指当信号带宽为f o ，以采样速率f 2 f o ( 2 f o 为奈奎斯特采样频率) 对模拟信号进行采样。 定义过采样比o s r ( o v e r - s a m p l i n g r a t e ) 为： 7 北方工业大学硕士学位论文 d 职：2( 2 1 ) 2 丘 对于2 0 k h z ，1 6 b i t 的音频信号，为防止信号频谱混叠，前置抗混叠模拟低 通滤波器( l p f ) 要求具有十分陡峭的截止特性，集成电路实现困难。采用过采 样后，采样信号各频谱交叠很少，过渡带平缓，前置抗混叠模拟低通滤波器( l p f ) 要求大大降低。而且，过采样a d c 通常采用开关电容电路来实现，这样电路中 不必采用采样保持电路用。 若a d c 输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯，并且输入信号的幅 度随机分布，则量化噪声可以看作是白噪声，它的总功率是个常数a2 1 2 ，与采 样频率f s 无关，在士f s 2 的频带范围内均匀分布。 因为信号频带为，所以对采样量化后得到的数字码流进行数字低通滤波， 经过滤波后去除所有频率大于的其他信号。如图2 2 所示。 图2 2 过采样原理图 由上图可以看出，由于信号是无衰减的通过滤波器，所以信号功率不变；而 量化噪声功率衰减为原来的1 ( f j f o ) = i o s r 倍，因此量化噪声电平与采样频率成 反比，提高采样频率可以降低量化噪声电平，而信号频带是固定不变的，因而减 少了信号频带范围内的量化噪声功率，提高了信噪比。 信号功率为： 只= ( 翔2 = 竿 泣2 ， s 北方工业大学硕士学位论文 量化噪声功率为： 易：竺上 ( 2 3 ) 所以经过过采样后，a d c 的理想信噪比为： 一划- 。矧础- 。驯+ 1 0 1 0 9 ( 锨) ( 2 m = 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 l o g ( o s r ) 由上式可以看出，o s r 每提高一倍，就等价于信噪比提高3 d b ，即过采样使 得信噪比提高了3 d b 倍频。 2 1 2 噪声整形技术 仅使用过采样技术来减少信号频带内的量化噪声效果不明显。例如，若要从 l b i t 量化器获得9 8 d b 的信噪比( 即1 6 位的分辨率) ，则过采样比高达1 0 9 ，对应 2 0 k h z 带宽输入信号所需的电路工作频率达1 0 1 0 k h z ，这是无法实现的。为了把 采样频率降至现实可行的程度，人们开发了噪声整形技术，它的思想利用负反馈 对量化器产生的量化噪声进行低频衰减、高频放大，量化噪声大部分被驱赶到信 号频带之外，然后用数字滤波器滤除带外噪声。因此结合过采样、噪声整形和低 通滤波，就可以显著减少信号频带内的量化噪声，起到传统a d 转换中增加量 化器比特数的作用。换言之，采用过采样和噪声整形后，量化器的结构可大为简 化，使用粗糙量化即可。在后面的章节中，将具体分析噪声整形是如何提高a d c 的信噪比【1 2 1 。 2 2 一a 调制器 z 一调制器是一a a d 转换器的核心部分。一是总和一增量的意 思，因此三一调制器又称为总和增量调制器，它是数字通信系统中的一种波形 编码调制技术。由于实现设备简单，制造容易，以往主要用于容量不大，质量要 求不高的通讯系统中。阶是指一调制器中所包含的积分器的个数。 2 2 1 一阶z 一调制器 一阶一调制器原理图如图2 3 所示： 9 北方工业大学硕七学位论文 积分曩。量纯誊- 11 位a d c + i；。广斜+ j l 叶 jl l1 位d a c 寸 图2 3 一阶z a 调制器原理图 由原理图我们可以得到以下方程： y ( k t 3 = x ( k t - 1 p e ( k t ) - e ( k t - t ) ( 2 5 ) e 0 ( 1 户q ( k t ) - u ( k d ( 2 6 ) 这表示一阶调制器的输出包括输入信号的一个采样时钟延迟和量化误差的一阶 差分。 2 2 2 二阶一a 调制器 二阶一调制器的结构和数学模型如图2 4 ： 图2 4 ( a ) 二阶一调制器的结构 图2 4 ( b ) 二阶一调制器的数学模型图 1 0 北方1 = 业大学硕士学位论文 由此可以得到由一阶调制器级联得到的二阶调制器的输出包括输入信号的两个 采样时钟延迟和量化误差的二阶差分： y ( k t ) = x ( k t - 2 t ) + e k t ) - 2 e ( k t - t ) e ( k t - 2 t ) ( 2 7 ) 由l 个一阶调制器级联得到的l 阶调制器的输出包括输入信号的l 个采样 时钟延迟和量化误差的l 阶差分。 分别对上式2 5 、2 7 进行z 变换，得到阶和二阶调制器的传输函数分别为： y ( z ) - z 1 x ( z 卜( 1 - z 。) e ( z ) ( 2 8 ) y ( z ) = z 勺( ( z 卜( 1 - z “) 。e ( z ) ( 2 9 ) 那么，l 阶调制器的输出的传输函数应为： y ( z ) = z - l x ( z 卜( 1 一z - 1 ) 。e ( z ) ( 2 1 0 ) 可以将传输函数写成以下形式： y ( z ) = h 。( z ) x ( z ) + h 邸) e ( z ) ( 2 1 1 ) h 。( z ) 表示调制器对输入信号的传输函数，h o ( z ) 表示调制器对量化噪声的传输函 数。于是对于一阶调制器巩( z ) = z 1 ，h “z ) = i - z 1 。这表明，一阶调制器对信号 只产生一个采样周期的延迟，而对量化噪声则产生了一阶整形。 设量化器的量化级为z = 2 v 2 n ，n 就是前面定义过的量化器和d a 转换器 的位数，v 为信号的动态范围。量化噪声e ( k t ) 的方差，即平均功率oe 2 o x 2 瑚1 2 文若1 、( 2 1 2 ) 盯2矿2 s n r 2 1 0 1 。颤：，户10 1 。双声 + 4 7 7 + 6 0 2 ( d b ) ( 2 1 3 z 一调制器量化噪声随阶数和过采样变化的情况如图2 5 所示： 一 - 暑o = 蕾i - 摹- 图2 5z a 调制器量化噪声随阶数和过采样率变化的情况 北方工业大学硕士学位论文 由图中可以看出，一调制器量化信噪比随着过采样率m 和阶数l 的增 加呈线性增加特性，但是m 和l 不可能无限制的提高，因为过高的m 会给后面 的数字滤波器的设计增加很大的难度，使其硬件实现的难度大大增加。另外，阶 数l 也不能无限地增加，因为随着l 的增加，系统稳定性难以保证【1 3 1 。 2 3 一a 调制器的结构 一a 调制器可以分为单循环结构和级联结构。单循环是由一个量化器，一 个d i a 转换器和一系列积分器的级联组成的；级联结构则是由一系列单循环结 构的调制器级联而成的【1 5 1 。 2 3 。1 单循环结构一a 调制器 单循环是由一个量化器，一个d a 转换器和一系列积分器的级联组成的。 这些调制器的噪声成型网络都是由一系列嵌入在多反馈回路中的积分器或滤波 器组成。调制器的阶数由噪声成型网络中所包含的积分器的个数定义。 2 3 2 级联结构一a 调制器 对于单循环调制器，为了取得较高的量化信噪比，可以增加阶数，但当阶数 超过二阶后，就很难保证系统的稳定性。而过采样率的选定又要受到输入信号带 宽和调制器电路带宽的限制，因此其也不可能无限制地提高。为了取得较高的量 化信噪比，并同时保证系统的稳定性，于是就提出了调制器的级联结构。如图 2 6 所示： 图2 6z a 调制器的级联结构 从上图可以看出，级联调制器是将稳定的一阶调制器或二阶调制器结合起来 以获得高阶的噪声整形，所以稳定性得以大幅度提高，周时又由于采用多位量化 器，所以使量化信噪比增加。 对于低频领域的应用，适合采用低阶的单循环结构调制器和较高的过采样 率；对于高频领域的应用，应该选择高阶的级联结构调制器和较低的过采样率。 北方工业大学硕士学侥论文 2 4 数字抽取滤波器 数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列。实现一 个数字滤波器需要以下基本单元一加法器、单位延时和常数乘法器。通常有两种 方法实现：一种是把滤波器所要完成的运算编成程序让计算机实现。另一种方法 是设计专用的数字硬件、专用的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来 实现i s 。 数字滤波器分成两类：有限冲击响应滤波器( f i r ) 和无限冲击响应滤波器 ( i i r ) 。如果滤波器的非零系数的个数是有限的，这种数字滤波器叫做f i r 滤波器； 如果滤波器的非零系数的个数是无限的，这种数字滤波器叫做l i r 滤波器。f i r 滤 波器和i i r 滤波器都适合用于降频滤波器，但是在降频变换系统中，通常优先考 虑的是使用f i r 滤波器，这主要是因为使用f i r 滤波器可以获得精确的线性相位， 而i ( r 滤波器只能逼近线性相位。比较f i r 和i i r 设计所考虑的第二个因素是需要 的运算量，考虑到抽样率结构以及考虑实现这些系统在硬件和软件方面涉及的一 些具体问题时，如结构的简单性，结构中数据流的控制以及结构的模块性等，选 择采用f i r 设计【。 噪声整形后的输出是具有较高的过采样率和较粗略量化的信号。它不仅复现 输入信号，而且保留了频谱噪声整形后量化噪声误差信号。大部分的噪声误差信 号落在信号带宽以外卜f b ，f o ，可以通过滤波器滤除。在a d c 中，信号可以滤波 之后在较低的频率被重新采样。由于所有的带外信号已经被滤波器滤除，噪声整 形器的带外量化误差将不再混叠进信号频带内，对于a d c 而言滤波以及重采样的 过程称为抽取。 抽取一般通过某一中间采样频率和几个阶段来完成，这样做的目的是在复杂 性和功耗之间的优化和折中。在第一阶段，采样频率依然很高，同时简单的滤波 器用于滤除大部分的量化误差，同时降低采样频率。第二阶段通过使用复杂的滤 波器滤除带外信号，并将采样频率降低到最低( 奈氏) 采样频率 9 1 。 在z 一a d 转换器中，需要采用数字抽取滤波器对调制器的输出进行降频 及进一步的量化，其主要完成的功能为【1 6 】： ( 1 ) 衰减基带外的量化噪声； ( 2 ) 限制调制器输入信号和噪声的频率范围； ( 3 ) 调制器的输出是频率为输入信号n y q u i s t 率m 倍的高速数码流，因此要对 其进行m 倍降频，使其输出的频率降为n y q u i s t 率。 ( 4 ) 对调制器的输出数码流编码，得到与模拟输入相对应的数字输出值。 北方工业大学硕士学位论文 2 5 一a d o 芯片系统框图 图2 7 是这款1 6 位音频一a d c 芯片的系统框图，该芯片可用于微控制 器或是d s p 的音频信号处理系统。整个芯片采用新加坡特许公司( c h a r t e r e d s e m i c o n d u c t o rm a n l i f a c t u r i n gu d ) 的0 6 u mb i c m o s 工艺混合信号 标准b i c m o si 艺，数字部分采用1 8 v 电源供电，模拟部分采用3 3 v 电源供 电。 数字抽取 z a 调制嚣 滤波器 厂 i li i ! 兰! 竺竺l 。 。 l 时钟控翻 i 供电电源i i 图2 7 芯片系统框图 模拟输入信号输入一调制器，经过过采样一变换，将带内信噪比大 幅提高后，通过数字滤波去除带外高频噪声，输出1 6 位数字信号。该芯片设计 要求具有良好的动态性能，控制接口丰富，便于应用在s o c 中。 1 4 北方工业大学硕士学位论文 第三章芯片系统定义 根据第二章的基本原理，一aa d c 是以速度换精度，通过过采样噪声整 形结合数字滤波技术以低位量化实现高分辨率的模数转换器，因此，这类a d c 在低速音频模数转换领域占据重要地位。根据正向设计方法，首先，根据市场需 求制定这款音频a d c 的设计。 3 1 芯片主要技术指标 z 一a d c 性能指标可分为两类，静态和动态指标。静态误差主要是电路 中器件失配造成的，静态性能指标主要有微分非线性( d n l ) 和积分非线性 ( 小l ) 。动态性能指标是指由于信号非线性抖动、时钟馈通、累加误差等造成 的信号相关性误差。由于z 一a d c 与传统的模数转换器不同，它的输入输出 之间没有一一对应的关系，所以对于这种转换器主要是在频域中定义其动态性能 参数，即用信噪比来表征。芯片主要技术指标见表3 1 。该技术指标为我们设计 芯片的标准，在系统设计和电路设计阶段都要保证满足该技术指标的要求。 表3 1 芯片主要技术指标 参数名称 最小值典型值最大值单位 模拟部分电源电压 33 - 33 6v 数字部分电源电压 1 6 21 81 9 8v 信噪比s n r 8 59 09 8d b 动态范围 8 5d b t h do 0 2 5 增益失调0 0 30 0 5 d b 输入电压范围 2 v p v 电源抑制比 6 0 d b 功耗 2 5m w 位数 1 6b i t 转换速率 2 5 m s p s 1 5 北方工业大学硕士学位论文 3 2 一a 调制器的性能指标 a 调制器的性能由以下几个指标确定：动态范围( d y n a m i cr a n g e ，简 写为d r ) ，过采样率m ，输入信号的n y q u i s t 率，量化信噪比( s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o ，简写为s n r ) ，信号噪声失真比( s i g n a l t o n o i s ea n dd i s t o r t i o nr a t i o ) 以 及功耗。 l 、动态范围 动态范围是一调制器最重要的指标，因为它决定了整个一调制器可 达到的精度。它的定义是一调制器的量化器满刻度均方根值与量化噪声均方 根值之比，它代表了量化器所能分辨的信号电平的相对范围，与信号特性无关。 单位通常用d b 表示。其与精度的具体关系如下式所示： w - d r - 1 7 6( 3 1 ) 6 0 2 动态范围与调制器阶数l ，过采样率m 以及调制器总增益g 有以下关系： d r = 3 _ 三婴g 2 m 2 “( 2 ”一1 ) 2 (32)2y 2 、 其中n 就是前面定义过的量化器和d a 转换器的位数。 2 、量化信噪比 量化信噪比也是一调制器最重要的指标之一，它的定义是一调制器 模拟输入信号功率与量化噪声功率之比。量化信噪比中包括热噪声，量化噪声以 及输入端电子噪声等所有噪声。其通常用d b 为单位来表征。 s n r = 1 0 l o g ( 信号功率全部噪声功率) ( 3 3 ) 3 、信号噪声失真比 信号噪声失真比是z 一调制器输入模拟信号功率与噪声和失真功率之和 的比值，最大信号噪声失真比用于度量一调制器处理基带内最大信号的能 力，与频率有关。 s n d r = 1 0 l o g ( 信号功率( 全部噪声功率+ 全谐波功率) ) ( 3 4 ) 4 、总谐波失真( t h d ) ：指输入信号有效值与带内全部谐波分量总有效值之比 的分贝数，主要表征了a d c 的线性度。 t h d = ( 信号功率全谐波功率) ( 3 5 ) 5 、有效位数( e n o b ) ：a d c 实际可达到的位数。 e n o b ：s n d r - 1 7 6( 3 6 ) 1 6 北方工业大学硕士学位论文 6 、过采样率m 输入信号的n y q u i s t 率f n 就是输入模拟信号最大频率的2 倍，而过采样率m 就 是采样频率与输入信号的n y q u i s t 率的比值，即= m f s 。n y q u i s t 率决定了 一a 调制器输入信号的带宽。 7 、功耗 在设计中，除了要着重考虑以上指标外，功率也是要考虑的重点指标。电路 功耗p 与调制器阶数l ，电源电压v 叫，过采样率m 以及采样电容c s 有以下的 关系1 1 7 】： p ( l + 1 ) m c s ( 3 7 ) 从上式可以看出，当保持电源电压，过采样率和采样电容乘积不变的情况下，电 路功耗p 与调制器阶数l 成正比，即调制器阶数越高，电路的功耗越大。因此 合理地选择调制器的阶数和过采样率，可以保证电路功能的前提下，有效地降低 电路的功耗。 8 、动态范围s f d r ： s f d r 就是s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，即无噪声和谐波的动态范围“”。 在定义这一概念时，噪声和高次谐波都被称为伪信号。计算s f d r 时，只要对信 号做频谱分析，然后测出信号幅度和噪声与谐波中最高的一个尖峰之间的距离。 图3 1a d c 输出信号的频谱分析 图3 1 中两边的最高峰为信号功率，它旁边的最高的尖峰是谐波功率，下面 的是噪声平板。 1 7 北方工业大学硕士学位论文 第四章一a 调制器的结构设计 通过对一a a d c 原理的研究，可知提高一a a d c 的性能主要是需要压 制信号频带内的噪声，关键是必须通过选择合适的一调制器系统结构和相应 的电路结构，达到所确定1 6 位音频a d c 的性能指标。在结构设计中采用m a u a b 工具。 4 z 一调制器的系统结构设计 一调制器系统结构设计的结果是根据实际需要和各个限制条件折衷后 的选择。对