高性能音頻∑-△數(shù)模轉(zhuǎn)換器的研究與實現(xiàn)_圖文

1、浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院博士學(xué)位論文高性能音頻-數(shù)模轉(zhuǎn)換器的研究與實現(xiàn)姓名：黃小偉申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)指導(dǎo)教師：韓雁;楊立吾20090317摘要摘要在年提出的國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要（年）中確定的未來年里個重大科技專項中，第一項就是“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件”。作為高端通用芯片之一的高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，被廣泛應(yīng)用于多媒體和各種消費類電子產(chǎn)品中，其核心技術(shù)目前主要被國外所壟斷。自主開展高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片的研發(fā)，對于提高我國電子產(chǎn)品的核心競爭力具有重要意義。本論文研究了音頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)。在高精度轉(zhuǎn)換條件下，過采樣技術(shù)是目前最好的選擇。數(shù)模轉(zhuǎn)

2、換器由插值低通濾波器、數(shù)字調(diào)制器和模擬后端電路組成。由于這種技術(shù)要求對數(shù)字設(shè)計、模擬設(shè)計都有比較深入的了解，所以這是各種數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的實現(xiàn)方式。實現(xiàn)高線性度、低噪聲、低功耗、低成本的數(shù)模信號轉(zhuǎn)換是研究的難點。本論文的主要工作和創(chuàng)新點包括：、分析了調(diào)制器原理，對其穩(wěn)定性問題及實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進行了深入的研究比較和定型。分析了數(shù)字插值濾波器原理，采用碼實現(xiàn)方式，節(jié)省了硬件開銷、減低了芯片功耗。、確定了一種多比特量化的數(shù)模轉(zhuǎn)換器形式，采用直接電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，降低了功耗。相對于單比特內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種新型結(jié)構(gòu)在模擬電路的面積和功耗方面具有較大的優(yōu)勢。、多比特開關(guān)電容很難實現(xiàn)高線性度，設(shè)計中

3、采用失配誤差整形算法，把失配引入的失真轉(zhuǎn)換為噪聲并外推到信號帶外的高頻端，大大削弱了引入信號帶內(nèi)的噪聲干擾。、提出了一種新的襯底噪聲有源抵消方法，仿真與實測結(jié)果均證明，該噪聲有源抵消方法可以更高效地減少襯底噪聲干擾，從而為高性能混合信號更為優(yōu)化的版圖設(shè)計提出一條可行之路。摘要、實現(xiàn)了一款的高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片。采用中芯國際（）工藝實現(xiàn)，芯片核心面積，實測動態(tài)范圍，最大信噪失真比為。電路各模塊的性能均達到了設(shè)計目標(biāo)。用硅驗證的方法證明了論文思想的正確性和可行性，與國內(nèi)近幾年測試成功的音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器比較，本設(shè)計處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。論文通過對數(shù)模轉(zhuǎn)換器理論的深入研究，設(shè)計并實現(xiàn)了與國外同類產(chǎn)品性能

4、相當(dāng)?shù)奈粩?shù)模轉(zhuǎn)換器芯片。通過該芯片設(shè)計，掌握了從系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計、版圖設(shè)計到流片、測試的一套完整的數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計流程，并擁有了位高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器這一高端芯片的。關(guān)鍵詞數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)字插值濾波器，過采樣，調(diào)制器，噪聲整形，開關(guān)電容“（）”，（），一一，一，：，一，”一行，一一，：，浙江大學(xué)研究生學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得逝姿盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確

5、的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：毒午簽字日期：乙。年弓月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解逝望盤堂有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交本論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)逝婆盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索和傳播，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書）學(xué)位論文作者簽名：囊小刊簽字日期：乙年弓月日導(dǎo)師張鞘訊褂嗍：加（年川日致謝致謝畢業(yè)論文到此順利完成，它為我五年的研究生生涯畫上圓滿的句號。在本次畢業(yè)設(shè)計中，我得到了許多老師和同學(xué)的幫助和鼓勵，在此表示衷心的感謝！感謝我的指導(dǎo)老師韓雁教授的悉

6、心幫助和對我工作、學(xué)習(xí)上的督促。她給了我一個很好的機會，讓我能夠在這個過程中提高了實踐動手能力、分析問題和解決問題的能力。在讀研的整個過程中，韓老師的勤奮和努力很值得我學(xué)習(xí)，特別是在工作非常繁忙的情況下，她都不曾中斷對我的指導(dǎo)。同時，她工作的高效率也給我留下了很深刻的印象。感謝浙江大學(xué)微電子與光電子研究所的朱大中教授、何杞鑫副教授、沈相國高工、董樹榮副教授、丁扣寶副教授、郭維老師、孫穎老師、韓曉霞老師、霍明旭老師等對我在學(xué)習(xí)、工作上的幫助和生活上的關(guān)心，與他們的學(xué)術(shù)討論使我受益匪淺。感謝中芯國際給予的流片支持，感謝楊立吾博士對我的幫助和指導(dǎo)。感謝與我合作過的陳磊、羅豪、廉玉平、張昊，感謝研究所

7、的洪慧、郭清師兄，感謝馬紹宇、施敏文、周海峰、付文等同學(xué)對我的關(guān)心和幫助，感謝實驗室所有的師弟、師妹，與你們一起度過的時光將是我一輩子永遠難忘的回憶。感謝我的女友劉霞，是她的默默支持給了我不斷前進的勇氣和信心，感謝她為我所做的一切。最后，特別要感謝的是我的父母、哥哥、嫂子和朋友們，他們對我的關(guān)心和支持是巨大而溫暖的，他們是我生活中最堅實的后盾，我將永遠銘刻在心。謹以這篇論文獻給一直關(guān)心支持我的家人和女友。黃小偉年月緒論緒論課題背景意義在年提出的國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要（年）確定未來年里力爭取得突破的個重大科技專項中，第一項就是核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件。開發(fā)高端通用芯片對于國內(nèi)產(chǎn)

8、業(yè)發(fā)展具有重大的意義。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（，簡稱）是一種將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出的器件，它被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、自動控制、自動檢測和數(shù)字多媒體技術(shù)等領(lǐng)域。音視頻已經(jīng)進入了數(shù)字時代，、等大量數(shù)字電子設(shè)備進入市場，成為消費電子的熱點。同時隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，在單片電路上集成復(fù)雜的數(shù)字信號處理能力已經(jīng)成為可能，因此研究音頻系統(tǒng)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片具有廣泛的現(xiàn)實意義。國外生產(chǎn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最著名的廠家有以下三家：美國德州儀器（，）、美國模擬器件公司（，）、美國國家半導(dǎo)體（），其中在年成功收購了布爾布勞恩公司（，），成為全球高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的主要供應(yīng)商。除此之外，美信（）、摩托羅拉（）、仙童（

9、）、日本電氣（）等公司也有數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。國內(nèi)一些高校已經(jīng)開始從事高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器的研究和開發(fā)，包括復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、華東師范大學(xué)、華南理工大學(xué)等。國內(nèi)專門從事數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計的公司有四川登巔微電子、上海捷頂微電子公司等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，目前國內(nèi)設(shè)計所需要的核，尤其是高端核，主要來自國（境）外公司。中國的核產(chǎn)業(yè)起步較晚，規(guī)模很小，核產(chǎn)業(yè)存在設(shè)計種類少，經(jīng)過驗證的核更是寥寥無幾等問題，制約了設(shè)計進步浙江大學(xué)博士學(xué)位論文和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。截止到目前為止，國內(nèi)純粹依靠核經(jīng)營的公司屈指可數(shù)，多數(shù)公司在涉足核行業(yè)時極為謹慎，經(jīng)常是經(jīng)營、核經(jīng)營、設(shè)計服務(wù)經(jīng)營同時進行。這些均說明本土核

10、技術(shù)的發(fā)展也遠遠不能滿足國內(nèi)需求。在這種背景下，表通過對比國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的性能，確定了本課題的立項與預(yù)期技術(shù)目標(biāo)，通過高位高精度芯片的正向設(shè)計，掌握位高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器這一高端芯片的完全自主設(shè)計。表國內(nèi)外產(chǎn)品性能與本課題設(shè)計目標(biāo)性能指標(biāo)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)水平本課題目標(biāo)輸入字長位位位位電源電壓動態(tài)范圍信噪失真比功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r音頻處理領(lǐng)域?qū)?shù)模轉(zhuǎn)換器精度要求相對較高，為了保證音頻信號真正高品質(zhì)地輸出，通常要求達到位以上的精度。長期以來人們對其進行了廣泛的研究?；仡檾?shù)模轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史，我們發(fā)現(xiàn)其經(jīng)歷了從電子管、晶體管到集成電路的發(fā)展過程。上世紀(jì)年代后期，數(shù)字通信研究和應(yīng)用興起，這要求將接收到的

11、數(shù)字信號還原成聲音、圖像。于是電子管組裝成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)運而生。年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的電子管逐步由半導(dǎo)體晶體管所替代，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的體積和重量大大減小。年代中期，隨著集成電路技術(shù)的進步和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)緒論換器的主要功能單元電路一如運算放大器、基準(zhǔn)電壓源、電阻網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)和邏輯電路等已陸續(xù)實現(xiàn)集成化。在此背景下，傳統(tǒng)的全部用分立器件組裝數(shù)模轉(zhuǎn)換器的方法逐漸被替代。人們采用現(xiàn)成的通用集成電路一運算放大器芯片、邏輯集成電路、基準(zhǔn)電壓源芯片等，并外加一些必要的元器件，來組裝數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這種形式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與完全分立器件組裝的數(shù)模轉(zhuǎn)換器相比，在一定程度上簡化了設(shè)計。

12、年代初，所有元器件都被集成在同一塊芯片上的單片數(shù)模轉(zhuǎn)換器研制成功。這標(biāo)志著數(shù)模轉(zhuǎn)換器真正達到工業(yè)化大生產(chǎn)的階段，擺脫了精心挑選數(shù)模轉(zhuǎn)換器元器件的麻煩，從而大大降低了成本，提高了可靠性。此后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到迅速發(fā)展，新的設(shè)計思想、新工藝不斷出現(xiàn)，性能不斷提高工藝、工藝、工藝。其中，工藝，功耗小、集成度高，制成的模擬開關(guān)具有雙向特性，而且容易大規(guī)模集成?，F(xiàn)代集成電路設(shè)計中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器不再僅作為單芯片使用，而是逐漸集成到大規(guī)模信號處理芯片的內(nèi)部，也就是的一部分。數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為在設(shè)計中使用，已經(jīng)是發(fā)展趨勢。數(shù)模轉(zhuǎn)換器有很廣泛的應(yīng)用范圍，如圖所示，在通信、視頻、音頻、傳感器領(lǐng)域都有普遍的應(yīng)用。襄震圖數(shù)模

13、轉(zhuǎn)換器應(yīng)用范圍采樣頻率高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器對于信號轉(zhuǎn)換精度的要求非常高。例如，對于輸出模擬信號滿量程是的數(shù)模轉(zhuǎn)換器來說，如果想實現(xiàn)位精度，對應(yīng)的電壓為浙江大學(xué)博士學(xué)位論文嗇¨，所以要求數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓與理想值的偏差厶為左右。如果不采用昂貴的激光修正方法，這個精度就無法用傳統(tǒng)類型的數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史由于一技術(shù)可以實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且不用精確匹配模擬器件，因而是最適合數(shù)字音頻應(yīng)用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)方案。它使得輸出的音頻信號品質(zhì)更加趨近完美，同時也降低了成本。調(diào)制技術(shù)【】從概念的提出到目前的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有半個世紀(jì)了。在年前，年等人【】提出通過反饋提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的方

14、法，這可能是噪聲整形概念（也就是調(diào)制）第一次被提出。他們應(yīng)用這個方法，設(shè)計了一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)采用一個連續(xù)時間積分器作為環(huán)路濾波器，一個施密特觸發(fā)器作為量化器，這個的信號帶寬是，可以實現(xiàn)的為。在當(dāng)時，由于集成電路規(guī)模很小，導(dǎo)致采用數(shù)字電路硬件換模擬電路精度、速度的方法沒有應(yīng)用價值，所以這個課題的研究在相當(dāng)長一段時間內(nèi)進展不大。年后，提出采用高階環(huán)路濾波器方法。年應(yīng)用的理論設(shè)計完成了一個位一模數(shù)轉(zhuǎn)換器【。同時，貝爾實驗室的和其同事深化了調(diào)制技術(shù)的理論和設(shè)計方法【。和提出了應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的結(jié)構(gòu)調(diào)制器理論【】。年，等人提出了數(shù)字線性糾正技術(shù)【】，這項技術(shù)可以大大提高調(diào)制器中內(nèi)部多位量化器的線性度

15、；同時，和提出了動態(tài)匹配方法【。隨后，和、和【、【、和、和】提出了其他各種失配整形算法（）。上世紀(jì)年代后期，出于在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景，出現(xiàn)了研究帶通調(diào)制器的熱潮】。緒論本論文的主要工作本論文在回顧了數(shù)模轉(zhuǎn)換器和。調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，采用“自頂向下（戶的設(shè)計方法，對本課題要求的高性能一數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行了研究。研究包括系統(tǒng)設(shè)計和仿真驗證、電路設(shè)計和仿真驗證、版圖設(shè)計和驗證、流片、測試等步驟。流片在中芯國際標(biāo)準(zhǔn)工藝上進行。芯片實現(xiàn)了一款完全自主設(shè)計的高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器。形成了一套從理論研究到流片測試驗證的完整的數(shù)?；旌显O(shè)計流程，為將來的進一步工作打下堅實的基礎(chǔ)。設(shè)計流程【】如圖所

16、示。，。一一。一設(shè)計要求【。、一。廣廠一系統(tǒng)仿霄（，）整合、驗證、導(dǎo)出、文件圖數(shù)模混合設(shè)計簡化流程浙江大學(xué)博士學(xué)位論文論文安排在緒論之后，第二章為數(shù)模轉(zhuǎn)換器綜述。首先給出衡量數(shù)模轉(zhuǎn)換器性能的參數(shù)指標(biāo)，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類。然后介紹了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理，并做出分析和比較。第三章深入研究了調(diào)制原理。分析了高階調(diào)制器穩(wěn)定性問題。針對多種調(diào)制器結(jié)構(gòu)進行分析和比較。最后通過調(diào)制器的系數(shù)優(yōu)化和信號縮放，實現(xiàn)了調(diào)制器的設(shè)計原型，并給出最終設(shè)計實現(xiàn)。第四章介紹了插值濾波器的原理，重點研究了半帶插值濾波器。采用碼實現(xiàn)了級插值濾波器，節(jié)約了硬件成本，降低了硬件開銷。第五章為開關(guān)電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計和版圖設(shè)計。設(shè)計

17、了主要的電路模塊，包括全差分運算放大器、開關(guān)、電容、參考電流源、時鐘生成電路。數(shù)?；旌闲盘栯娐返陌鎴D設(shè)計，對于減小襯底噪聲和數(shù)模串?dāng)_，實現(xiàn)深亞微米工藝下的性能非常重要。第六章提出襯底噪聲有源抵消新方法，通過建模仿真和實測發(fā)現(xiàn)，該方法能夠更加高效地減小襯底噪聲對敏感模擬電路的影響。第七章為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的芯片實現(xiàn)和測試結(jié)果。第八章對論文進行了總結(jié)，并對未來工作提出設(shè)想。數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述信號處理的重要功能之一是實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。使用或設(shè)計數(shù)模轉(zhuǎn)換器，需要了解數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。這些參數(shù)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器類型、一般特性、靜態(tài)特性、動態(tài)特性等。這一章，主要討論這些技術(shù)名詞和定義。數(shù)模

18、轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)之間的接口，它的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，輸入數(shù)字量，輸出模擬量。其內(nèi)部電路具有數(shù)字電路和模擬電路的各種特點，因此數(shù)模轉(zhuǎn)換器品種繁多，分類方法也是多種多樣的。本章也簡單介紹一下數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類情況。電壓參考源數(shù)模轉(zhuǎn)換器類型圖數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖模擬輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類是多種多樣的。按數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要功能單元特點分類：有電阻型、電流源型、電容型。常見的有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)、梯形電阻網(wǎng)絡(luò)、電壓分段網(wǎng)絡(luò)和電流源陣列等。按數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能特點分類：數(shù)模轉(zhuǎn)換器常常按它的主要性能指標(biāo)進行分類，如轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、分辨率等。按分辨率分類，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可分為位、位、位、位、位、位、位、位等。

19、根據(jù)數(shù)字編碼的不同，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可分為二進制輸入型、碼輸入型和格雷碼輸入型等；同時，按數(shù)字碼輸入方式分類，可分為串行輸入和并行輸入。按轉(zhuǎn)換器的輸出電學(xué)特性分類，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可分為電壓輸出型和電流輸出型。浙江大學(xué)博士學(xué)位論文按照信號頻率和采樣頻率之間的關(guān)系，數(shù)模轉(zhuǎn)換器一般分成兩大類：奈奎斯特采樣率和過采樣。設(shè)采樣頻率是，信號帶寬為，根據(jù)奈奎斯特采樣定理【，要求采樣頻率，而略大于。采樣頻率和倍信號帶寬的比值，即（），稱為過采樣率（，）。較大（）的數(shù)模轉(zhuǎn)換器稱為過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器；較小的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（一般），稱為奈奎斯特率數(shù)模轉(zhuǎn)換器。圖說明了奈奎斯特率數(shù)模轉(zhuǎn)換器和過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間的差別。前者的反交疊濾波

20、器的過渡帶很短，后者的交疊濾波器的過渡帶很長。信號幅度信號幅度（）奈奎斯特率（）過采樣圖奈奎斯特率與過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器頻譜比較數(shù)模轉(zhuǎn)換器靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差【包括失調(diào)誤差（）、增益誤差（）、積分非線性（）、微分非線性（）和單調(diào)性（）誤差。前兩項誤差是可以通過外圍電路調(diào)整的，而后幾種誤差，用戶是無法調(diào)整的。失調(diào)誤差數(shù)模轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差是指模擬輸出的實際起始值與理想起始值之差。對單極性的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，理想起始值為零，對雙極性的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，理想起始值為負滿刻度值。如圖所示。失調(diào)誤差通常用滿量程的百分比（）或最低有數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述效位（）為單位來表示。圖失調(diào)誤差增益誤差數(shù)模轉(zhuǎn)換器特性曲線

21、的實際斜率和理想斜率的偏差稱為增益誤差，如圖所示。當(dāng)失調(diào)誤差調(diào)整后，增益誤差也可以表示為滿量程輸出的實際值與理想值之間的偏差。增益誤差通常用滿量程的百分比（）或為單位來表示。數(shù)字輸入圖增益誤差積分非線性積分非線性（，簡稱）指實際輸出的模擬量值與理論值之差，即：測量值理想值（）浙江大學(xué)博士學(xué)位論文微分非線性微分非線性（，簡稱）指的是兩個相鄰數(shù)碼的模擬量輸出的跳變值與理論的增量之差，即：實際測量跳變值（）是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的重要參數(shù)，一般要求該參數(shù)在±范圍內(nèi)。若，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將出現(xiàn)非單調(diào)性，即輸出不再是輸入數(shù)字碼的單調(diào)函數(shù)，如圖所示。圖中，輸入數(shù)字從增至，輸出的模擬值反而減少，這在實際應(yīng)用中是不

22、希望出現(xiàn)的。反之，若，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將出現(xiàn)失碼。：；?。海?，：；彳：?。海。?！，?。?，：?。海?；：；：！圖微分非線性描述的是相鄰數(shù)字變化時引起的模擬值的變化，它是一種“微觀”參數(shù)。而積分線性誤差考慮的是模擬輸出值的線性程度，即轉(zhuǎn)換特性曲線上某點對理想直線的偏離情況，它是一種“宏觀”參數(shù)。單調(diào)性單調(diào)性指隨著數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入在其量程范圍增加時，模擬輸出從不出現(xiàn)幅度下降。換句話說，就是單調(diào)性數(shù)模轉(zhuǎn)換器的傳輸特性曲線斜率從不為負。如果數(shù)模轉(zhuǎn)換器的為以下，那么這個數(shù)模轉(zhuǎn)換器就一定是非單調(diào)的。苫悟，吖吖吖吖吖數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性在很多應(yīng)用中，時域上的微分線性誤差、積分線性誤差等參數(shù)不足以直接表

23、征數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能，這時必須引入頻域參數(shù)【，一言噪比、信噪失真比、無雜散動態(tài)范圍等。這些參數(shù)的計算都是基于變換的。信噪比信噪比（，）定義為（蒜）（）對于單正弦波輸入信號測量的，諧波分量不包含在計算中。無雜散動態(tài)范圍無雜散動態(tài)范圍（，）是指，在特定頻帶內(nèi)信號頻譜中，信號功率和最大假信號之間的比值。的單位為：咖）（蒸。犁億，這里的是指信號的有效值，是指最大假信號的有效值。在某些情況下，采用滿量程輸入（）信號來表示，單位是：一一蛔單億，信噪失真比信噪失真比（，）的定義為，特定頻段內(nèi)，信號功率比上總噪聲功率加諧波失真功率，即：羆，億，數(shù)字編碼方案數(shù)字編碼方案有許多種【。其中，單極標(biāo)準(zhǔn)二進制碼（，浙江大

24、學(xué)博士學(xué)位論文）是最簡單的二進制編碼方案，適用于單極信號，采用全零（）表示最低量化電平，即一托一；采用全“”（）表示最大模擬信號佗。數(shù)字編碼增大，對應(yīng)模擬信號增加。其他還有逆序標(biāo)準(zhǔn)二進制碼（）、雙極二進制偏移碼（）、逆序二進制偏移碼（）、二進制補碼（）、逆序二進制補碼（）等很多種編碼方案。表以位數(shù)字編碼為例，給出了這幾種編碼方案的對應(yīng)表。表數(shù)字編碼方案（位）最大量化幅度（零）（零）（零）（零）最小“量化幅度本設(shè)計采用了單極標(biāo)準(zhǔn)二進制碼，即碼。奈奎斯特率數(shù)模轉(zhuǎn)換器奈奎斯特率數(shù)模轉(zhuǎn)換器可細分為并行轉(zhuǎn)換和串行轉(zhuǎn)換。并行轉(zhuǎn)換還可以細分數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述為電阻網(wǎng)絡(luò)、電流源矩陣、開關(guān)電容三類；串行轉(zhuǎn)換可以細分

25、為算法型【、累加型【。具體分類【見圖。奈奎斯特率！。一！電阻網(wǎng)絡(luò)電流源矩陣；開關(guān)電容算法型累加型。一一一【一一一圖數(shù)模轉(zhuǎn)換器分類下文介紹電阻、電容、電流源三種類型的奈奎斯特數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并分別用典型電路說明。電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換器對于工藝來說，開關(guān)電流（，）技術(shù)是一種很自然的選擇。因為開關(guān)、電流源等元件都相對容易實現(xiàn)。電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換器【的一般結(jié)構(gòu)如圖所示。圖位電流源二進制編碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器開關(guān)由輸入數(shù)字信號控制，、是，對應(yīng)的電流源電流值為。、，為輸入數(shù)字信號位數(shù)。第個電流源，也就是參控制的電流源囪忑了浙江大學(xué)博士學(xué)位論文的電流值為，它是通過個單位電流源并聯(lián)實現(xiàn)的。同樣，電流源電流值為。采用單位電流源可以使

26、電流源匹配較好。圖中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電流，。，為圳（尼）舳。島肛船¨騮（這里的是指數(shù)字輸入，一島島（）電流源型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個優(yōu)點是可以用相對很小的版圖面積實現(xiàn)位精度以下的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，而且可以高速轉(zhuǎn)換。電流源型數(shù)模轉(zhuǎn)換器另外一個優(yōu)點是電源效率非常高，因為所有的功率都作用到輸出。主要的缺點是對于器件失配、信號毛刺、電流源輸出阻抗非常敏感。在提高了器件匹配【】后，電流源型數(shù)模轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)高速、高精度【。電阻型數(shù)模轉(zhuǎn)換器用半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)二進制譯碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用梯形電阻網(wǎng)絡(luò)【堤較好的選擇。圖給出了一個位梯形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)。、嚼圖位梯形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器電流源對偶式相同大小，開關(guān)由

27、控制。在每個節(jié)點上，阻抗都是。電阻網(wǎng)絡(luò)把來自每個獨立電流源的電路分流，輸出電流為數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述乙（后）擊擊厶（）這種數(shù)模轉(zhuǎn)換器電源效率很高，因為電阻網(wǎng)絡(luò)沒有電流損耗。如果所有的電流源一樣大小的話，匹配就會比較好。但是在工藝條件比較差的情況下，電阻失配、電阻非線性和寄生電容會導(dǎo)致信號失真，開關(guān)導(dǎo)通時間偏差也會導(dǎo)致信號上產(chǎn)生毛刺。在這個架構(gòu)中，所有開關(guān)的導(dǎo)通電流完全一樣，這樣開關(guān)設(shè)計相對簡單。但是內(nèi)部節(jié)點電壓還是隨輸入信號變化的，所以電流源端電壓是不斷變化的。這種架構(gòu)的優(yōu)點是只需要實現(xiàn)很少的幾種尺寸器件，也就是兩種不同大小的電阻和，一種電流源，一種電流開關(guān)。這樣版圖很規(guī)整，因為所有的電流源都是相同

28、大小的。而且工藝微調(diào)和校準(zhǔn)可以應(yīng)用在這種版圖上。對于包含高精度電阻的雙極工藝，數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)用非常廣泛。電容型數(shù)模轉(zhuǎn)換器電容型數(shù)模轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電容（，）電路，它通過存儲在二進制權(quán)重電容上的電荷實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換【，一個實例電路如圖所示。圖位電荷再分布數(shù)模轉(zhuǎn)換器最大的權(quán)重電容是最小權(quán)重電容（）的倍，也就是一。一般權(quán)重電容由許多單位電容并聯(lián)而成。浙江大學(xué)博士學(xué)位論文在（相位），決定哪一個權(quán)重電容充電到電壓。在這個相位，的極板一端連到地上，一端連到虛地（運放的輸入端），也就是說上沒有電荷。電容用于放大器失調(diào)補償。在時刻，權(quán)重電容、上存儲的總電荷為（療?。u島：（）（）在時刻，即相位，權(quán)重電容連接在和虛地之間

29、，電容放電。電荷釋放到地和電容上。當(dāng)放電過程結(jié)束，上電荷為（刀÷）講（）（）由電荷守恒得到（，去?。?，?。┥希ǎ┌咽剑ǎ?、（代入式（），得到甜胛丁三丁，若。尼，丁，。，時鐘在（、相位是不交疊的。圖中的電路結(jié)構(gòu)對失調(diào)電壓和放大器有限增益是不敏感的。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能限制在于電容的匹配、開關(guān)的導(dǎo)通電阻、放大器的有限帶寬。過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器與奈奎斯特數(shù)模轉(zhuǎn)換器最大的區(qū)別在于其時鐘頻率是倍信號帶寬的若干倍，其頻譜如圖所示。通過增加時鐘頻率，我們可以增加信號帶內(nèi)，因為帶內(nèi)量化噪聲變?yōu)樵瓉淼?，由此我們可以得出：舢）信號帶?nèi)（）是數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述（）圖過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器頻譜比較蓋怕鯽一億

30、這里是前端數(shù)字電路的字長。從（）式中，我們可以發(fā)現(xiàn)，加倍，就增加比特。為了獲得很高的精度，必須選擇很大的。例如，對于的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，想獲得的，需要。當(dāng)然，數(shù)模轉(zhuǎn)換器本身必須達到比特的線性度。無限增大對于實現(xiàn)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器是不切實際的。但是加上噪聲整形，數(shù)模轉(zhuǎn)換器引入的量化噪聲頻譜可以被推出到信號帶外。這就減少了對的要求。輸出端加上截止頻率為低通濾波器（，）。（）制位厶位圖一般過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)擴哆制罐浙江大學(xué)博士學(xué)位論文過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器雖然有各種各樣的結(jié)構(gòu)【。，但是一般由一個插值濾波器，一個一調(diào)制器，一個內(nèi)部奈奎斯特數(shù)模轉(zhuǎn)換器，和連續(xù)時間濾波器組成，如圖所示（也有將位數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模擬濾波器歸

31、并成一個模塊）。圖中是一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個例子，、，、。、；為處理的信號頻譜。輸入信號。，信號帶寬最高到。插值器把輸入信號刷新頻率提高到，對應(yīng)的頻域引入（）個輸入信號頻譜鏡像，如，所示。為了降低對調(diào)制器和后端濾波器的要求，插值器也包含濾波功能，也就是說插值濾波器。，是插值濾波后頻譜。圖一數(shù)模轉(zhuǎn)換器頻譜圖調(diào)制器把位輸入信號截尾成位信號。這個操作引入大量截尾誤差，但是由于調(diào)制器被設(shè)計成高通過濾掉截尾誤差，所以截尾噪聲功率被移出信號頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述帶，頻譜如，所示。位（工作在刷新頻率）天生有零階采樣保持特點，對應(yīng)頻譜是函數(shù)加權(quán)，如。所示。低位數(shù)模轉(zhuǎn)換器比較容易實現(xiàn)高線性度，因為它需要較少的模擬參考源。

32、連續(xù)時間低通濾波器把調(diào)制器輸出信號的帶外噪聲和位數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號鏡像衰減，最終信號頻譜如；所示。噪聲及誤差量化噪聲量化噪聲是由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器量化誤差產(chǎn)生的。數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字信號是已經(jīng)經(jīng)過量化的，量化誤差決定了信號精度。但是為了說明量化誤差，必須要與無限精度的模擬信號做比較，見圖。顯然，相對于模擬信號，數(shù)字信號帶有“天生”的量化誤差。無限精度，卜二廣卜。囊。載，一模，過載一一十廿，八八八。模橢；圖量化誤差輸入入浙江大學(xué)博士學(xué)位論文為了研究量化誤差，一般把量化誤差看成噪聲，采用信噪比（）這個參數(shù)來衡量。在某些情況下，量化誤差是不能看成噪聲的，例如在直流信號激勵下，量化誤差是恒定的。只有幅度大、快

33、速變化的信號的量化誤差才可以看成噪聲。把量化誤差作為噪聲處理，需要以下幾個條件，這就是班納特判則（），簡單表述如下：、所有的量化電平出現(xiàn)概率相近；、大量的量化電平；、量化臺階電壓相等；、量化誤差與輸入信號不相關(guān)；第一個條件要求信號幅度大；第二個條件要求量化位數(shù)多；第三個條件要求量化函數(shù)是線性的；第四個條件大多數(shù)情況是符合的，但是，當(dāng)采樣頻率和輸入信號頻率之間是有理數(shù)倍數(shù)關(guān)系，那么，量化噪聲就會與輸入信號相關(guān)。如果量化信號符合“班納特標(biāo)準(zhǔn)”，量化誤差電壓就是落在，】區(qū)間內(nèi)的隨機值。如圖所示。量化誤差為出現(xiàn)的概率和量化誤差是的概率是一樣的。概率密度函數(shù)掣船圪船氣。圖量化誤差分布量化誤差功率是概率密

34、度函數(shù)的方差。量化誤差電壓有效值是量化誤差功率的平方根。量化誤差功率為硝姆魯（）。（些）姆晉，、數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述量化誤差電壓的有效值為箍億參考電壓定，量化精度提高，量化誤差電壓就會減小。如果電壓是，那么對應(yīng)的量化誤差電壓有效值是，嬲。量化過程，可以看成是一個引入量化噪聲的過程，其模型如圖所示：童、，弋圖量化器模型時鐘抖動噪聲采樣時鐘的上升沿、下降沿的抖動情況是無法預(yù)測的。時鐘抖動對于數(shù)模轉(zhuǎn)換器精度的影響和對于是一樣的。下面以為例，分析時鐘抖動對于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的影響，見圖。一匾廠。圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的時鐘抖動假設(shè)輸入正弦波是奈奎斯特頻率（），所以在正弦信號變化最快的位浙江大學(xué)博士學(xué)位論文置是正弦波的零點。

35、假設(shè)時鐘信號的最大峰峰抖動時間為五。如果采樣時鐘頻率是（五，）、時鐘抖動時間（峰峰值），那么采樣時鐘穩(wěn)定性參數(shù)就是，（為。，“）。信號在采樣點的壓擺率（時鐘為上升沿）為磊（咖萬脅肌丁，萬礬（）和之間的關(guān)系是籌瑚仍或弘?。ǎτ谀?shù)轉(zhuǎn)換器來說，要求采樣電壓誤差圪郢（一矗一），因為信號幅度（，一矗一），所以信號采樣器允許的最大時鐘抖動（峰峰值）為邪專去仁。，或者從采樣時鐘穩(wěn)定性參數(shù)來看靛陛參數(shù)（）咄分等南（）表給出了采樣時鐘穩(wěn)定性參數(shù)與位轉(zhuǎn)換器精度之間的關(guān)系表采樣時鐘穩(wěn)定性參數(shù)與位轉(zhuǎn)換器極高度之間的關(guān)系時鐘穩(wěn)定性參數(shù)最大允許時鐘抖動轉(zhuǎn)換器位數(shù)（時鐘頻率）數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述所以對于奈奎斯特率采樣來說，實

36、現(xiàn)位數(shù)模轉(zhuǎn)換，最大允許時鐘抖動為，也就是。因為正弦波信號頻率一般是低于奈奎斯特頻率的。對于任意輸入信號頻率厶，時鐘穩(wěn)定性參數(shù)改寫成歹去（）可以通過過采樣技術(shù)，降低時鐘抖動指標(biāo)。假設(shè)輸入信號頻率是石，倍過采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最大允許信號頻率為手厶或者厶去（）根據(jù)奈奎斯特采樣率，每個信號周期至少有兩個采樣點。所以，對于過采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，每個正弦信號，采樣點數(shù)至少為。如果時鐘抖動不變，增加時鐘頻率可以減小系統(tǒng)對于時鐘穩(wěn)定性參數(shù)的要求。時鐘穩(wěn)定性參數(shù)過采樣時鐘穩(wěn)定性參數(shù)奈奎斯特采樣原先對于奈奎斯特率采樣來說，實現(xiàn)位數(shù)模轉(zhuǎn)換，最大允許時鐘抖動為。采用倍過采樣率后，最大允許時鐘抖動為×。噪聲量化噪聲是數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號精度基本限制，噪聲也是數(shù)模轉(zhuǎn)換器精度的基本限制【，。只有在電容無窮大或者溫度為絕對零度時，才為零。例如采用的采樣電容，會有州的噪聲電壓。如果呆樣電容增加到倍，噪聲電壓減小為。“，廣彳圖噪聲如圖基本開關(guān)電容采樣電路。把帶內(nèi)噪聲頻譜積分可以得到帶內(nèi)噪聲功率，所以采樣開關(guān)打