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低电压高分辨率二阶sigma-delta型ADC的研究、设计与实现

段营  
【摘要】:随着来多媒体芯片技术的发展,越来越多的模拟设计开始关注如何在音频领域实现有效的A/D转换,尤其是在音频mp3的编解码电路中,A/D作为录音的必要模块,其作用尤其重要。 过采样ADC,尤其是Sigma-Delta类型的ADC几乎毫无例外的被应用在对模拟音频信号的数字转换中。它基于过采样和噪声成型技术,以速度换精度,大大简化了模拟部分设计的难度。它相对于Nyquist类型的ADC有很多自身的有点,例如对器件匹配的要求较低,能够达到高于14bit的精度等等。 本论文的设计内容为1.8V,16bit精度,90dBA信噪比的二阶sigma-delta过采样ADC,完成了模拟调制器部分的电路设计和数字滤波器部分的编码,并对实际电路进行了仿真。 本文首先对各种类型的Sigma-Delta ADC进行了研究,接着按照给出的设计指标,确定了二阶单比特量化的Sigma-Delta调制器结构,并完成了积分器,1bit DAC,比较器和所有子电路的设计。论文的创新点在于以下几个方面:首先,在结构设计上,论文充分考虑了实际电路的可实施性,提出了用matlab扫描得出调制器相关系数的方法;其次,在参考电平的选取上,论文为了克服电源电压的不稳定性,提出了一种由带隙基准产生标准电压的方法,和传统的用电源电压作为参考电平的方法相比,增加了参考电平的稳定性,提高了ADC的信噪比性能;另外,论文提出了一种简化的放大器共模反馈电路,避免了常用共模反馈电路中需要提供额外电压源的缺点;最后,在开关控制时钟电平的选取上,我们设计了一个提升时钟电平的电路,把系统供给的1.8V标准时钟信号升压至3.3V,从而可以选用较小的NMOS管来达到小的导通电阻,减小了采样电平在开关传输中的损失。论文还设计了数字滤波器的结构并完成了数字部分的编码。 本论文设计的电路采用UMC 0.18um工艺实现,信号带宽为20Khz,过采样率为128。ADC实际能够达到的指标为动态范围85dB,信噪比88dBA,总谐波失真为-74dB,精度为16bit,ADC版图面积为800um*700um,静态总功耗为100mW。


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