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高性能音频∑-△数模转换器的研究与实现

黄小伟  
【摘要】: 在2006年提出的《国家中长期科学和技术发展纲要(2006-2020年)》中确定的未来15年里16个重大科技专项中,第一项就是“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”。作为高端通用芯片之一的高性能音频数模转换芯片,被广泛应用于多媒体和各种消费类电子产品中,其核心技术目前主要被国外所垄断。自主开展高性能音频数模转换器芯片的研发,对于提高我国电子产品的核心竞争力具有重要意义。 本论文研究了音频信号的数模转换技术。在高精度转换条件下,过采样Σ-Δ技术是目前最好的选择。Σ-Δ数模转换器由插值低通滤波器、数字Σ-Δ调制器和模拟后端电路组成。由于这种技术要求对数字IC设计、模拟IC设计都有比较深入的了解,所以这是各种数模转换器设计中最具挑战性的实现方式。实现高线性度、低噪声、低功耗、低成本的数模信号转换是研究的难点。 本论文的主要工作和创新点包括: 1、分析了Σ-Δ调制器原理,对其稳定性问题及实现结构进行了深入的研究比较和定型。分析了数字插值滤波器原理,采用CSD码实现方式,节省了硬件开销、减低了芯片功耗。 2、确定了一种多比特量化的Σ-Δ数模转换器形式,采用直接电荷转移内部DAC实现数模转换,降低了功耗。相对于单比特内部DAC结构,这种新型结构在模拟电路的面积和功耗方面具有较大的优势。 3、多比特开关电容DAC很难实现高线性度,设计中采用失配误差整形算法,把失配引入的失真转换为噪声并外推到信号带外的高频端,大大削弱了引入信号带内的噪声干扰。 4、提出了一种新的衬底噪声有源抵消方法,仿真与实测结果均证明,该噪声有源抵消方法可以更高效地减少衬底噪声干扰,从而为高性能混合信号IC更为优化的版图设计提出一条可行之路。 5、实现了一款18bit的高性能音频数模转换器芯片。采用中芯国际(SMIC)0.18μm工艺实现,芯片核心面积1.86 mm~2,实测动态范围96 dB,最大信噪失真比为88 dB。电路各模块的性能均达到了设计目标。用硅验证的方法证明了论文思想的正确性和可行性,与国内近几年测试成功的音频数模转换器比较,本设计处于国内领先水平。 论文通过对Σ-Δ数模转换器理论的深入研究,设计并实现了与国外同类产品性能相当的18位数模转换器芯片。通过该芯片设计,掌握了从系统设计、电路设计、版图设计到流片、测试的一套完整的数模混合电路设计流程,并拥有了18位高性能音频数模转换器这一高端芯片的IP。


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