高性能音頻Delta-Sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、Delta-Sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、硬件開(kāi)銷(xiāo)低等特點(diǎn)，十分適用于便攜式醫(yī)療設(shè)備以及高性能音頻信號(hào)處理等領(lǐng)域。然而其設(shè)計(jì)中尚有許多技術(shù)問(wèn)題有待深入研究，尤其是現(xiàn)代CMOS工藝與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使得集成電路的電源電壓不斷降低，嚴(yán)重制約了模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，也使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的高分辨率設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于便攜式設(shè)備而言，電池的續(xù)航能力始終是決定產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)之一，這也對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低功耗設(shè)計(jì)提出了更大挑戰(zhàn)。
　　本文根

2、據(jù)一些重要應(yīng)用領(lǐng)域的要求，對(duì)高精度音頻Delta-Sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)技術(shù)展開(kāi)研究，重點(diǎn)圍繞其低功耗與面積優(yōu)化技術(shù)展開(kāi)，主要內(nèi)容與創(chuàng)新包括:
　　1.針對(duì)植入式生物醫(yī)療裝置如人工耳蝸等對(duì)音頻Delta-Sigma ADC的低壓超低功耗及微型化的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合理論計(jì)算與建模仿真，對(duì)設(shè)計(jì)中諸多非理想因素展開(kāi)深度分析，歸結(jié)出一套Delta-Sigma調(diào)制器的完整設(shè)計(jì)流程，給出了符合要求的電路設(shè)計(jì)指標(biāo);采用開(kāi)關(guān)型運(yùn)放與運(yùn)放共享技術(shù)實(shí)

3、現(xiàn)了積分器的低功耗設(shè)計(jì)，并利用基于高密度電容陣列的改進(jìn)型量化器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換器面積的大幅度優(yōu)化;提出一種無(wú)信號(hào)衰減二次相加策略，在低功耗實(shí)現(xiàn)調(diào)制器內(nèi)部信號(hào)相加的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電容型加法電路因電荷分配引入的信號(hào)衰減問(wèn)題，有效降低了多位量化器設(shè)計(jì)難度;還提出一種分割兩向移位數(shù)據(jù)加權(quán)平均(Data Weighted Averaging，DWA)技術(shù)，可在較低硬件開(kāi)銷(xiāo)下減小多比特轉(zhuǎn)換器的非線性誤差，并有效抑制傳統(tǒng)DWA技術(shù)在低頻激勵(lì)信號(hào)時(shí)

4、諧波失真的產(chǎn)生，提高了轉(zhuǎn)換精度。提出的音頻Delta-Sigma ADC原型在0.18-μmCMOS工藝下流片，測(cè)試結(jié)果顯示其峰值信噪比為92.2-dB，動(dòng)態(tài)范圍為94.6-dB，在0.9-V電源電壓下系統(tǒng)總功耗為164-μW，其中Delta-Sigma調(diào)制器的功耗僅為56-μW，品質(zhì)因數(shù)達(dá)到42-fJ/轉(zhuǎn)換步長(zhǎng)。
　　2.針對(duì)高性能便攜式音頻信號(hào)處理的需要，對(duì)于高精度音頻Delta-SigmaDAC的面積優(yōu)化與低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)展開(kāi)

5、研究。提出一種改進(jìn)型公用副表式消除算法用于DAC內(nèi)插濾波器的系數(shù)優(yōu)化，有效降低傳統(tǒng)算法下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件開(kāi)銷(xiāo)與邏輯深度，優(yōu)化了芯片面積;以全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式將分割兩向移位DWA技術(shù)應(yīng)用于多位量化Delta-Sigma調(diào)制器，改善模擬重構(gòu)級(jí)的非線性失真，以合理的硬件開(kāi)銷(xiāo)有效提高轉(zhuǎn)換精度;采用低功耗FIR/IIR混合型濾波器的全差分直接電荷轉(zhuǎn)移型開(kāi)關(guān)電容DAC構(gòu)建模擬重構(gòu)級(jí)，同時(shí)片上集成了后置平滑濾波器，有效提升轉(zhuǎn)換器性能。實(shí)驗(yàn)與芯片測(cè)試結(jié)果顯示