高性能、低功耗Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與實現(xiàn)_圖文_百度文庫

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、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與實現(xiàn)姓名：馬紹宇申請學(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20080601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）確定未來年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。開展高端通用芯片的研發(fā)工作，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，對于提高我國集成電路產(chǎn)業(yè)的整體競爭力具有重要的意義。對于數(shù)?；旌霞呻娐芬约澳M集成電路這類高端通用芯片而言，設(shè)計水平集中體現(xiàn)在對芯片噪聲、失真、功耗等性能指標(biāo)的嚴(yán)格控制上，技術(shù)門檻相對較高。另一方面，隨著我國多媒體數(shù)字音視頻芯片的迅速發(fā)展，業(yè)界迫切需

2、要有自主研發(fā)的基于工藝的高性能、低功耗的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片本文在這樣的背景下開展研究，目標(biāo)是實現(xiàn)一款高性能、低功耗的高端音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際同類產(chǎn)品的水平。調(diào)制是一種在大規(guī)模集成電路（）：藝中實現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效方法，非常適合于數(shù)字音頻應(yīng)用。結(jié)合過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，基于調(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)位以上的分辨率。這種方法對于模擬電路的非理想性相對不敏感，從而可以充分利用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路工藝高集成度的優(yōu)勢，實現(xiàn)低成本的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本文針對高性能、低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和實現(xiàn)迸行了全面而深入的研究，主要工作和創(chuàng)新點包括：、深入分析調(diào)制器實現(xiàn)的非理

3、想性因素，及其對于調(diào)制器的性能影響。對于高分辨率調(diào)制器，開關(guān)電容電路實現(xiàn)的非理想因素引入的誤差往往會成為限制系統(tǒng)性能的主要誤差來源。通過嚴(yán)格的理論分析，推導(dǎo)出了各種非理想因素引入調(diào)制器基帶噪聲功率的增量。定量了解各種電路參數(shù)對于不同調(diào)制器性能的影響，提供調(diào)制器結(jié)構(gòu)選擇和優(yōu)化的依據(jù)，而且使電路設(shè)計過程更具針對性。、針對本課題采用的級聯(lián)調(diào)制器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。首先證明了級聯(lián)調(diào)制器適用于高分辨率、低功耗的應(yīng)用：一方面，在保證穩(wěn)定性的同時，級聯(lián)調(diào)制器結(jié)構(gòu)對于電路非理想性的敏感度相對較低；另一方面，對于同樣的動態(tài)范圍要求，由于級聯(lián)調(diào)制器輸入信號的過載幅度接近滿量程，因此能夠采用相對較小的采樣電容，從而實現(xiàn)更

4、低的功耗。通過調(diào)制器的系數(shù)優(yōu)化和信號縮放，級聯(lián)調(diào)制器能夠在標(biāo)準(zhǔn)工藝中實現(xiàn)高分辨率、低功耗的設(shè)計目標(biāo)。利用行為模型對級聯(lián)調(diào)制器進(jìn)行快速而有效的仿真驗證，同時綜合得到各個組成模塊的性能約束。浙江大學(xué)博士學(xué)位論文、在標(biāo)準(zhǔn)工藝下，采用開關(guān)電容電路技術(shù)，實現(xiàn)了高分辨率、低功耗的一級聯(lián)調(diào)制器。設(shè)計了一種高能效的類跨導(dǎo)放大器，在僅消耗電流的情況下，達(dá)到以上的壓擺率。根據(jù)熱噪聲要求，各級積分器采用不同的采樣電容，對各級積分器中跨導(dǎo)放大器進(jìn)一步進(jìn)行功耗優(yōu)化。對于線性度要求極高的輸入信號采樣電路，采用一種新穎的柵源自舉開關(guān)，實現(xiàn)了恒定的過驅(qū)動電壓，有效的減小了采樣信號的失真。采用低功耗的動態(tài)比較器，實現(xiàn)位量化。為

5、了電路的完整性，調(diào)制器中還包含了高電源抑制比的參考電流源和多相位時鐘生成電路。、本文還實現(xiàn)了針對于級聯(lián)調(diào)制器，降采樣率為的數(shù)字抽取低通濾波器。充分利用中成熟的濾波器設(shè)計工具包，大大簡化了設(shè)計過程。濾波器的實現(xiàn)采用多級級聯(lián)方式，串行算法實現(xiàn)“乘一累加”單元，有效減小了硬件開銷。通過驗證，數(shù)字抽取濾波器能夠達(dá)到的通帶紋波和以上的阻帶衰減，滿足整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計要求。、采用中芯國際混合信號工藝實現(xiàn)了單芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。測試得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片能夠在音頻帶寬內(nèi)達(dá)到的動態(tài)范圍、的信噪比和的信噪失真比。與國內(nèi)近幾年測試成功的調(diào)制器比較，本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率效率，設(shè)計水平在國內(nèi)

6、處于領(lǐng)先水平。針對高端音頻應(yīng)用，論文對模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計并實現(xiàn)了能夠與國外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)?shù)奈荒?shù)轉(zhuǎn)換器芯片。考慮到系統(tǒng)的便攜應(yīng)用，芯片采用低功耗的設(shè)計方法，從而能夠?qū)崿F(xiàn)盡量低的功耗。通過該芯片的正向設(shè)計，形成了一套從系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計、版圖設(shè)計到流片驗證的一套完整的數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計流程，并掌握了位高性能、低功耗的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器這一高端通用芯片的完全自主知識產(chǎn)權(quán)。關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器，調(diào)制，噪聲整形，過采樣，數(shù)字抽取濾波器，開關(guān)電容，數(shù)字音頻，低功耗“（），（），。，。浙江大學(xué)媳上學(xué)位論文，（），（），：，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(jìn)

7、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，也不包含為獲得逝婆盤鱟或其他教育機構(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(xiàn)均已在論文巾作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(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澎姿盤堂有權(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)逝姿盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)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

8、名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日致潞，叭回顧五年的學(xué)習(xí)科研生活，感慨良多。我愿借此機會，對給予我?guī)椭完P(guān)心的人們表示衷心的謝意本文是在我的導(dǎo)師韓雁教授的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。盡管平時工作業(yè)務(wù)非常繁忙，她還是時刻關(guān)注著我課題的進(jìn)展情況，在我碰到挫折困難的時候給予孜孜不倦的教誨和身體力行的指導(dǎo)，使我能夠踏踏實實的，認(rèn)真完成本論文的工作除了在科研上的指導(dǎo)，在生活中也得到了韓老師無微不至的關(guān)懷，讓我能夠安心的專注課題研究。在此，由衷地向韓老師表示我最崇高的敬意和最誠摯的謝意。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

9、、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)討論使我深受裨益。感謝與我合作的蔡友和陳金龍，感謝研究所的洪慧、郭清師兄，感謝黃小偉、施敏文，周海峰、王澤、陳磊等同學(xué)對我的關(guān)心和幫助，感謝所有實驗室的師弟、師妹，與你們一起度過的時光將是我一輩子永遠(yuǎn)難忘的回憶。感謝杭州中科微電子有限公司給予我實習(xí)的機會，感謝馬戍炎老師的指導(dǎo)，感謝那里給我很多幫助的同事們。感謝中芯國際給予項目的支持。感謝我的女友方敏紅，是她在我背后默默地支持我，給了我不斷前進(jìn)的勇氣和動力，感謝她為我做的一切。感謝父母的養(yǎng)育之恩和對我學(xué)業(yè)的支持和鼓勵；感謝哥哥、嫂子對我生活上的關(guān)心和照顧。你

10、們是我永遠(yuǎn)的牽掛，也是我最大的財富。謹(jǐn)以這篇論文紀(jì)念我二十一年的學(xué)生生涯，并獻(xiàn)給一直關(guān)心支持我、對我寄予厚望的家人和女友。馬紹宇年月緒論緒論課題意義集成電路是電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略地位和不可替代的核心關(guān)鍵作用。最近十幾年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出一批集成電路設(shè)計和制造企業(yè)。然而，在高端通用芯片的研發(fā)方面，我國與國外先進(jìn)水平還存在明顯的差距，這已經(jīng)成為制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸年月日，國務(wù)院召開了常務(wù)工作會議，做出了正式啟動“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件”和“極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝”兩項重大專項的重要決定。開展高端通用芯片的研發(fā)，不但具有

11、對高技術(shù)領(lǐng)地競爭層面的價值，而且在經(jīng)濟(jì)社會層面，對于提高我國集成電路產(chǎn)業(yè)的整體競爭力、進(jìn)而帶動整個電子信息產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，具有重要意義由于集成電路工藝的發(fā)展，數(shù)字信號處理（）技術(shù)在最近幾十年經(jīng)歷了爆炸式的增長，各種以數(shù)字信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)備、系統(tǒng)層出不窮，例如數(shù)字通信，數(shù)字電視，數(shù)字娛樂產(chǎn)品，數(shù)字控制等等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)基于的電子線路系統(tǒng)中不能缺少的一環(huán)。盡管數(shù)字信號能夠用任意分辨率和精度處理，但是系統(tǒng)整體性能依然無法超越將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式所需要的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器目前已經(jīng)成為各種信號處理系統(tǒng)中的通用芯片【。當(dāng)然，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并不是電路設(shè)計中的新概念，但是巨大的工業(yè)投資仍在

12、繼續(xù)，在這個技術(shù)領(lǐng)域仍然有很多的研究活動。這就說明依然存在著對于高速、高分辨率、低成本和低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的巨大需求。隨著多媒體技術(shù)的快步進(jìn)步和第三代移動通信的發(fā)展，人們對音頻、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體的品質(zhì)要求越來越高，從而對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（）提出更寬頻帶和更高分辨率的要求。特別是在汽車電子、消費類音視頻（例如、，手機多媒體，數(shù)字電視等）和個人計算機（）快速發(fā)展的推動下，數(shù)字音頻技術(shù)發(fā)展更是十分迅猛，為了獲得更高的音質(zhì)，位以上的高分辨率音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器被大量使用。然而，目前只有國外少數(shù)幾個公司掌握高端音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心知識產(chǎn)權(quán)（），嚴(yán)重制約了我國開展高性能多媒體芯片的設(shè)計與研究。為了打破壟斷，縮小我國在

13、高端通用芯片的設(shè)計能力上與國外先進(jìn)水平的差距，自主開展高性能和低功耗的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計是我國模擬集成電路發(fā)展所必需的在此前提下開展了本課題的研究，通過對原理與結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計并實現(xiàn)了浙江大學(xué)博上學(xué)位論文能夠與國外同類產(chǎn)品性能相當(dāng)，應(yīng)用于高端音頻領(lǐng)域的位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片?？紤]到系統(tǒng)的便攜應(yīng)用，芯片采用低功耗的設(shè)計方法，從而能夠?qū)崿F(xiàn)盡量低的功耗。表通過對比國內(nèi)外的產(chǎn)品性能，制定了本課題的預(yù)期目標(biāo)通過該芯片的正向設(shè)計，形成一套從系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計、版圖設(shè)計到流片驗證的一套完整的數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計流程，并掌握了位高性能、低功耗的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器這一高端通用芯片的完全自主知識產(chǎn)權(quán)。表國內(nèi)外產(chǎn)品性能與

14、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)電源電壓輸出字長采樣頻率動態(tài)范圍信噪失真比功耗課題技術(shù)背景傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（如并行型、積分型、逐次比較型等）大多是采用信號帶寬兩倍的采樣頻率（奈奎斯特頻率）對輸入模擬信號進(jìn)行采樣，然后對每一采樣值的幅度進(jìn)行均勻量化，最后轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼來表示輸入信號。分辨率為玎位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要療個相同的量化等級。提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，即是提高硬件電路區(qū)分”個不同等級電平的能力，從而需要精確匹配的模擬電子器件來實現(xiàn)。在低成本的標(biāo)準(zhǔn)工藝中，傳統(tǒng)的奈奎斯特頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器很難達(dá)到位以上的分辨率?；谡{(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用過采樣和噪聲整形技術(shù)，大大簡化了模擬電路的設(shè)計

15、，對模擬電路的非理想性相對不敏感，以復(fù)雜的數(shù)字電路換取相對簡單的模擬電路。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器能以較低的成本來取得極高的分辨率（位以上），非常適合于高端音頻應(yīng)用卅。從制造：來說，與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容，很容易與數(shù)字系統(tǒng)集成在一起，從而獲得最為優(yōu)化的速度、分辨率、集成度、成本和功耗的折衷，符合目前集成電路設(shè)計中的發(fā)展趨勢。緒論上世紀(jì)年代起，國外一些研究單位在模數(shù)轉(zhuǎn)換器方面開展了廣泛深入的研究，包括斯坦福大學(xué)的教授】和俄勒岡州立大學(xué)的教授【等年代初期，隨著大規(guī)模集成電路（）技術(shù)的成熟，幾家集成電路公司成功開發(fā)了基于調(diào)制的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。目前，國外的先進(jìn)產(chǎn)品已經(jīng)能夠達(dá)到位以上的有效分辨率，國內(nèi)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)

16、換器的發(fā)展起步相對較晚，但是近年來越來越受到重視。國內(nèi)一些高校和公司已經(jīng)開始從事高分辨率模數(shù)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)和電子科技大學(xué)【?！康?。四川登巔微電子有限公司也已經(jīng)推出了針對數(shù)字音頻的位和位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，根據(jù)其公布的技術(shù)資料，信噪失真比僅能達(dá)到，性能和國際先進(jìn)水平相比還存在著較大的差距。調(diào)制技術(shù)的歷史與發(fā)展趨勢調(diào)制器技術(shù)從概念的提出到目前的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了多年時間。年在申請的一個專利中（年授權(quán)）首次提出利用反饋來提高粗略量化器分辨率的概念。他提出在反饋環(huán)路的前饋路徑中放置一個低分辨率量化器，然后從輸入信號中減去量化器的量化誤差。年，和對的系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，

17、并提出提高和優(yōu)化性能的方法。他們還提出了在反饋路徑中加入一個有限沖擊響應(yīng)（）濾波器，目的是預(yù)測和校正下一個量化誤差值。系統(tǒng)輸出結(jié)果包含原始輸入信號和經(jīng)過環(huán)路濾波器的反傳輸函數(shù)濾波的量化噪聲，這個系統(tǒng)通常稱為誤差反饋編碼器（。年提出調(diào)制器，包含一個前饋路徑上的量化器（通常為位量化）和一個反饋路徑上的環(huán)路濾波器（最簡單的形式是積分器）。輸入信號和量化噪聲都經(jīng)過了反饋和濾波，并與輸入信號相減。因此，系統(tǒng)輸出信號包含經(jīng)過環(huán)路濾波器反傳輸函數(shù)濾波的量化噪聲和經(jīng)過相同傳輸函數(shù)濾波的輸入信號。如果作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，誤差反饋編碼器和調(diào)制器都存在嚴(yán)重的實現(xiàn)問題。誤差反饋結(jié)構(gòu)中反饋路徑需要高精度的模擬減法器，并

18、不容易實現(xiàn)。調(diào)制器抑制了輸入信號頻譜中的低頻部分，在接收部分需要一個濾波器還原信號，由于這個濾波器增益通常很大，因此會造成反饋路徑誤差放大。，和于年提出在調(diào)制器前端增加一個環(huán)路濾波器，然后將環(huán)路濾波器移到反饋環(huán)路中。對于積分器這種最簡單的環(huán)路濾波器形式，得到的系統(tǒng)前饋路徑上包含一個積分器和一個量化器，反饋路徑包含一個位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（）。由于這個系統(tǒng)包含一個調(diào)制器和一個積分器，通常稱為（）調(diào)制器，其中“”表示浙江大學(xué)博上學(xué)位論文積分器的求和過程。后來的文獻(xiàn)有也稱之為（）調(diào)制器，現(xiàn)在，兩個名字都在使用調(diào)制器的輸出與誤差反饋編碼器一樣，包含調(diào)制器的輸入信號和量化誤差的一階差分（積分器的反傳輸函數(shù)）。調(diào)

19、制器通過抑制信號頻帶內(nèi)的誤差，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。而且，調(diào)制器的實現(xiàn)相對容易，反饋環(huán)路中唯一的元件是一個位，精心的設(shè)計可以實現(xiàn)幾乎理想的位。自年首次提出以來，基本的調(diào)制器在各個方面進(jìn)行了很多改進(jìn)。第一個重要的改進(jìn)是，在年提出在反饋環(huán)路的前饋路徑中級聯(lián)多個積分器來實現(xiàn)高階環(huán)路濾波器，但是系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。在年發(fā)表的一篇很有影響的文章中，對前饋路徑包含兩個積分器的環(huán)路進(jìn)行深入的分析】。但是，包含兩個以上積分器的環(huán)路，穩(wěn)定性是有條件的，必須通過數(shù)值仿真分析得到穩(wěn)定條件。年，和提出了高階環(huán)路的穩(wěn)定性技術(shù)，基于這種技術(shù)，一些集成電路公司成功研發(fā)出包含多個開關(guān)電容積分器和諧振器的四階、五階。年，等

20、人提出另外一種穩(wěn)定的高階調(diào)制器的設(shè)計方法。采用一個單積分器的調(diào)制器處理輸入信號，得到的量化噪聲用第二個調(diào)制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，兩個調(diào)制器的數(shù)字輸出通過一個誤差抵消電路，抵消第一個調(diào)制器的量化噪聲，并對第二個調(diào)制器的量化噪聲進(jìn)行差分運算。誤差抵消電路輸出中量化噪聲經(jīng)過高通濾波，濾波階數(shù)等于兩個環(huán)路濾波器階數(shù)之和，這種結(jié)構(gòu)稱為多級噪聲整形（，簡稱為）】。為了防止第一個調(diào)制器的量化噪聲泄漏到輸出，第一個環(huán)路的模擬積分器需要幾乎理想的性能，這使得電路實現(xiàn)有些困難。這個理論可以擴(kuò)展到更高階調(diào)制器的實現(xiàn)。另外一種提高調(diào)制器性能的方法是采用多位量化器。但是，這就在反饋環(huán)路中需要多位，的線性度限制了整個的線性度

21、，采用一些技術(shù)可以克服這個問題年，提出采用動態(tài)元件匹配（）技術(shù)來降低非線性對整體性能的影響【，等人提出利用數(shù)字校正技術(shù)來抵消這個誤差【】。在年，和引入一種采用多位量化器和位的結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)高線性度和低量化噪聲【引。另外，可以對多位的非線性誤差進(jìn)行高通濾波，而不僅僅對非線性誤差進(jìn)行隨機化處理。近年來，隨著多位量化技術(shù)的成熟，基于調(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器已突破了“低速高精度”的傳統(tǒng)觀點，持續(xù)往高速方向發(fā)展，甚至進(jìn)入了無線通信的領(lǐng)域。與奈奎斯特率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，如流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠達(dá)到更高的動態(tài)范圍而消耗的功耗則要小緒論許多，因此更適合無線手持設(shè)備的應(yīng)用在年國際固體電路會議（）上，公司的等人發(fā)表的文章中

22、已經(jīng)成功研發(fā)信噪比為，帶寬的調(diào)制器芯片【叼；等人提出的應(yīng)用于無限局域網(wǎng)（的調(diào)制器【】，在信號帶寬內(nèi)達(dá)到動態(tài)范圍，功耗僅為。本論文的主要工作論文在簡單回顧模數(shù)轉(zhuǎn)換器和調(diào)制器工作原理的基礎(chǔ)上，深入分析了影響調(diào)制器性能的各種非理想因素，并推出了相應(yīng)閉環(huán)的表達(dá)式，作為指導(dǎo)設(shè)計的依據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，采用自上而（）的設(shè)計方法【¨，實現(xiàn)了本課題要求的高性能、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器。研究包括系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化與仿真，電路設(shè)計與仿真，版圖設(shè)計與流片驗證等幾個主要步驟。在系統(tǒng)設(shè)計階段，通過對調(diào)制器工作原理和影響調(diào)制器性能的各種非理想因素的研究和分析，選取合適的量化器位數(shù)調(diào)制器結(jié)構(gòu)，階數(shù)以及過采樣率。通過理論分

23、析和行為仿真工具驗證，對調(diào)制器的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以獲得最佳性能，最終實現(xiàn)了一級聯(lián)調(diào)制器的設(shè)計原型。在電路設(shè)計階段，主要完成調(diào)制器模擬前端電路設(shè)計和仿真，包括開關(guān)電容積分器（跨導(dǎo)放大器、電容和開關(guān)）、比較器，時鐘電路以及參考電流源等部分，并針對主要模塊進(jìn)行了功耗優(yōu)化。針對級聯(lián)調(diào)制器，設(shè)計并實現(xiàn)了降采樣率為的數(shù)字抽取低通濾波器。濾波器的實現(xiàn)過程中采用多級級聯(lián)方式，串行算法實現(xiàn)“乘一累加”單元，有效減小了硬件開銷。采用中芯國際標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行后端設(shè)計，并流片驗證，實現(xiàn)了高性能、低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。針對高性能、低功耗的音頻應(yīng)用，本論文對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了深入的研究，并且在主流工藝中進(jìn)行了實現(xiàn)和驗證。芯片的

24、研發(fā)成功，實現(xiàn)了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器。從理論研究到系統(tǒng)設(shè)計，從電路設(shè)計到最終的流片驗證，形成了一套完整的數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計流程，為今后的進(jìn)一步工作打下了堅實的基礎(chǔ)。論文安排第二章為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的綜述。首先定義衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的參數(shù)指標(biāo)，回顧了模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的發(fā)展和主要特點，重點介紹了適合于高分辨率應(yīng)用的過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。第二個部分介紹了調(diào)制器的主要結(jié)構(gòu)，并對各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和不足進(jìn)行比較，作為本課題結(jié)構(gòu)選擇中的依據(jù)。氣浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第三章深入研究了調(diào)制器實現(xiàn)中的非理想性因素，及其對于高分辨率調(diào)制器的性能影響。通過嚴(yán)格的理論分析，推出了各種非理想因素引入調(diào)制器基帶噪聲的增量本

25、章的理論分析提供調(diào)制器結(jié)構(gòu)選擇和優(yōu)化的依據(jù)，而且使電路設(shè)計過程更具針對性。第四章給出了弘調(diào)制器的系統(tǒng)設(shè)計。首先證明了級聯(lián)調(diào)制器適用于高分辨率、低功耗的設(shè)計，然后，針對級聯(lián)調(diào)制器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。通過調(diào)制器的系數(shù)優(yōu)化和信號縮放，實現(xiàn)了調(diào)制器設(shè)計原型，最后采用行為仿真模型對調(diào)制器原型進(jìn)行了驗證，同時綜合得到各個組成模塊的性能約束。第五章為調(diào)制器的電路設(shè)計和版圖設(shè)計在標(biāo)準(zhǔn)工藝下，實現(xiàn)了高分辨率、低功耗的級聯(lián)調(diào)制器。設(shè)計主要的電路模塊，包括跨導(dǎo)放大器、開關(guān)、電容、比較器、參考電流源時鐘生成電路，并有針對性的進(jìn)行了功耗優(yōu)化最后還提出了版圖設(shè)計中的一些考慮，這對于深亞微米工藝中的實現(xiàn)是非常重要的。第六章討論模

26、數(shù)轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字濾波器設(shè)計。設(shè)計并實現(xiàn)了降采樣率為的數(shù)字抽取低通濾波器。利用中的濾波器設(shè)計工具包設(shè)計抽取濾波器原型。濾波器的實現(xiàn)過程中采用多級級聯(lián)方式，包括梳狀濾波器、補償濾波器和半帶濾波器，抽取濾波器采用進(jìn)行硬件驗證。第七章給出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的芯片實現(xiàn)和測試結(jié)果。首先介紹了測試方案和測試平臺的搭建，分析了測試中的考慮因素，然后給出了測試結(jié)果，并與近幾年國內(nèi)測試成功的調(diào)制器芯片進(jìn)行了比較。第八章對論文進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的工作提出展望。首先展示了論文的結(jié)論性成果，然后有針對性的提出未來在低功耗方面需要的改進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化方面需要進(jìn)行的工作模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器隨著集成電路的發(fā)展，器件尺寸不斷減小，集成電

27、路的速度越來越快，集成度也越來越高。廉價高速的數(shù)字集成電路已經(jīng)能夠構(gòu)造復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，完成復(fù)雜的數(shù)字信號處理功能和任務(wù)，從而在現(xiàn)實生活中得到了廣泛應(yīng)用，例如數(shù)字通信、數(shù)字多媒體、自動控制等領(lǐng)域。然而自然界中的信號都是以模擬信號的形式存在的，在對它們進(jìn)行數(shù)字信號處理前，需要進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換器又稱或轉(zhuǎn)換器，就是將在時問上和幅度上都是連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的在時間上和幅度上離散的數(shù)字信號的電路系統(tǒng)。模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換包括模擬信號時間上的采樣和幅度的量化【。信號采樣的最小速率取決于信號帶寬，而能夠容忍的量化誤差量決定了轉(zhuǎn)換的分辨率除了基本的采樣和量化過程，模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程還需

28、要模擬的反混疊濾波器和數(shù)字后處理，如圖所示。輸入信號（首先經(jīng)過反混疊濾波器，濾波的目的是限制模擬輸入信號帶寬低于采樣頻率的一半，從而保證信號采樣時帶外信號不會混疊到轉(zhuǎn)換器的工作頻帶里。濾波器的輸出被采樣頻率為的采樣電路均勻采樣后產(chǎn)生離散時間信號】，其中丁循，接著對進(jìn)行量化，產(chǎn)生時間和幅度都離散的輸出信號。圖中數(shù)字后處理器的功能取決于轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，可能只是對信號進(jìn)行編碼，例如二進(jìn)制補碼或格雷碼，或者更為復(fù)雜，例如流水線結(jié)構(gòu)的數(shù)字校正和過采樣轉(zhuǎn)換器的數(shù)字抽取濾波器。反混疊濾波采樣量化數(shù)字后處理圖模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)分辨率（）、數(shù)字輸出率（脅）和功耗（）是衡量轉(zhuǎn)換器性能的主要指標(biāo)【。通常

29、，選擇轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計目標(biāo)是由其應(yīng)用場合來決定的。由于轉(zhuǎn)換器的上述性能指標(biāo)是相互聯(lián)系的，因此很難用某一個指標(biāo)來衡量浙江大學(xué)博士學(xué)位論文轉(zhuǎn)換器的性能。數(shù)字輸出率取決于輸入信號的帶寬，通常為信號帶寬的倍（奈奎斯特頻率）轉(zhuǎn)換器的分辨率可由其靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述，轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性包括微分非線性誤差（）、積分非線性誤差但憶）、失調(diào)誤差和增益誤差。動態(tài)特性包括信噪比凇）、信噪失真比（）和動態(tài)范圍（珊）等指標(biāo)。，轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性通常采用量化器的輸入一輸出傳輸曲線分析，圖是一個位轉(zhuǎn)換器理想的輸入一輸出傳輸曲線，采用偏移二進(jìn)制碼編碼。對于均勻量化的轉(zhuǎn)換器，輸入信號范圍被劃分為個等寬度的步長

30、（為轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)），每個步長對應(yīng)單一的輸出碼。相鄰輸出碼的間距為，數(shù)字輸出范圍為（）轉(zhuǎn)換器輸出變化時對應(yīng)的輸入點稱為轉(zhuǎn)變點（）。輸入信號必須在滿幅輸）范圍（，）內(nèi)，超出這個范圍會導(dǎo)致大的轉(zhuǎn)換誤差。輸入步長與滿幅輸入范圍的比值就是剛才提到的分辨率，因此上述位轉(zhuǎn)換器的分辨率為，有時就方便的說分辨率為位。過一無限分辨率特性一，厶如模擬載厶，載二？量化誤差入滿幅輸入范圍一圖位轉(zhuǎn)換器理想輸入一輸出特性量化誤差定義為理想的位轉(zhuǎn)換器輸出與無限分辨率轉(zhuǎn)換器輸出的差值，圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器下半部分為量化誤差與輸入信號幅度的關(guān)系量化誤差是轉(zhuǎn)換器中固有的誤差，是轉(zhuǎn)換器誤差功率的下限，所以將首先分析理想轉(zhuǎn)換器的量化誤差功

31、率考慮到量化器的非線性特性，為了簡化分析，量化器可以采用圖所示的線性模型來近似，其中為量化器的線性增益，為量化誤差量化器線性增益定義為，丟（）在滿足下列條件的前提下，量化誤差可以近似為與輸入信號不相關(guān)的均勻分布的白噪聲（“白噪聲近似”）【。輸入信號不超過量化器的滿幅輸入范圍，輸入信號在多個量化級有效，量化器任意兩個輸入的聯(lián)合概率密度是平滑的，量化器有足夠多的量化級。以口）圖量化器線性模型圖自噪聲假設(shè)的量化誤差分布在白噪聲近似下，量化誤差的概率密度函數(shù)麒）在【，佗】范圍內(nèi)均勻分布，如圖所示，可以推出既（）嘞（）所以（）一習(xí)億，計算得到量化誤差的功率為魄（）嘞芝（）由于實際電路的非理想性，總的誤差

32、功率會高于這個值。電路元件失配是實際轉(zhuǎn)換器靜態(tài)誤差的主要來源，使轉(zhuǎn)換點偏離理想值，量化器的傳輸特性與圖所示的理想情況不同。轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差包括微分非線性誤差（艦）、積分非線性誤差（舭）、失調(diào)誤差和增益誤差。浙江大學(xué)博士學(xué)位論文微分非線性誤差（）實際轉(zhuǎn)換器的步長偏離理想步長的誤差定義為微分非線性誤差，如圖所示。實際轉(zhuǎn)換曲線中第個步長姒助（），微分非線性誤差通常用步長進(jìn)行歸一化，得到相對誤差：（櫨學(xué)半（）積分非線性誤差（砒）一個模擬值偏離理想值的總誤差定義為積分非線性誤差，圖中通過轉(zhuǎn)變點處模擬值的偏移來衡量這個誤差，實際轉(zhuǎn)換特性中第個轉(zhuǎn)變點的模擬值與理想轉(zhuǎn)換特性中第個轉(zhuǎn)變點的模擬電壓么的差值進(jìn)行歸

33、一化得到，舭（七）華（）理想轉(zhuǎn)甄于詒出，卜燈上姒廠一換鼙贏氣一“”實際轉(zhuǎn)換特性擬輸入圖微分非線性誤差與積分非線性誤差失調(diào)誤差（）失調(diào)是指零輸入時轉(zhuǎn)換器輸入一輸出特性曲線的偏移，如圖所示，特性曲線中所有的量化步長都偏移了失調(diào)誤差。增益誤差（）增益誤差指滿量程輸出時，實際模擬輸入信號與理想模擬輸入信號之差，如圖所示。增益誤差使傳輸特性曲線繞坐標(biāo)原點相對于理想特性曲線偏移一定的角度。與和不同，增益誤差和失調(diào)誤差都是線性誤差。模數(shù)轉(zhuǎn)換器理想轉(zhuǎn)甄子鉗實際轉(zhuǎn)換特性瀘一磊廠。廣一失調(diào)誤差一一圖失調(diào)誤差輸入理甄子櫥出§轉(zhuǎn)換特性莎模擬輻澍實際轉(zhuǎn)換特性，圖增益誤差入轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)和模擬

34、元件的速度決定了轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性佇。很明顯，在輸入信號帶寬和輸出速率增大時，動態(tài)特性更為重要。通常采用正弦信號分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性，通過對轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出做快速傅立葉變換（），進(jìn)行頻譜分析，得到信噪比（鼢傻）、信噪失真比（鯽圮墳）和動態(tài)范圍（）等動態(tài)性能參數(shù)。信噪比）信噪比定義為信號功率與噪聲功率的比值。只考慮量化誤差的情況下，可以得到理想轉(zhuǎn)換器的最大信噪比。由上文的推導(dǎo)，量化噪聲功率為弓魯（）位轉(zhuǎn)換器的滿幅輸入正弦信號的功率為，：婀：掣億，考慮到量化器的增益，可以計算得到滿幅輸入正弦信號相應(yīng)轉(zhuǎn)換器輸出功率為：（）（）因此理想位轉(zhuǎn)換器的最大信噪比為，呱（班川。每圳絲：監(jiān)黽。（。）可見，轉(zhuǎn)換

35、器的分辨率每增加位，最大信噪比提高。實際的轉(zhuǎn)換器中的噪聲包浙江大學(xué)博士學(xué)位論文括信號帶內(nèi)的量化噪聲和電路引入的噪聲，通過分析輸出信號的頻譜得到信噪比圖表示一個實際的位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜，縱坐標(biāo)是輸出信號相對于滿幅輸出范圍歸一化的功率（單位是），對于正弦信號輸入，輸出信噪比為，低于理想值（）。止口撤瓣雷頻率【圖實際轉(zhuǎn)換器輸出頻譜分析信噪失真比（）信噪失真比的定義與信噪比類似，只是在信噪比的計算中不包含輸入信號的諧波失真。信噪失真比定義為輸入信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器輸出功率與輸出噪聲和諧波功率之和的比值。在輸入信號較?。ɡ绲陀冢?，諧波失真項可以忽略，信噪失真比與信噪比相同；由于電路的非線性隨輸入信號增

36、大而增加，輸入信號較大時，信噪失真比低于信噪比。圖中轉(zhuǎn)換器輸出頻譜中，對于正弦信號輸入，信噪失真比為。信噪失真比是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器最為嚴(yán)格的指標(biāo)，反映了實際模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作性能。動態(tài)范圍（腺）動態(tài)范圍是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器“有用”的輸入信號范圍，通常定義為最大的輸入信號功率和信噪失真比為時信號功率（噪底）的比值。對于理想的轉(zhuǎn)換器（只考慮量化噪聲），可以得到此時轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍是，（）圳。熹刪。磐矩剛“）從式（）中可以看出，轉(zhuǎn)換器的最大信噪比與動態(tài)范圍是相等的，但是這只對模數(shù)轉(zhuǎn)換器奈奎斯特轉(zhuǎn)換器成立對于不是在輸入時得到最大信噪比的轉(zhuǎn)換器來說，動態(tài)范圍和最大信噪比是不同的，例如轉(zhuǎn)換器。圖是一個實際的轉(zhuǎn)換器的

37、信噪比和信噪失真比隨輸入幅度的變化曲線，橫坐標(biāo)是輸入信號相對于滿幅輸入范圍歸一化的幅度（單位是）。在輸入幅度為時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器達(dá)到最大的信噪比；在輸入幅度為時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器達(dá)到最大的信噪失真比在輸入幅度大于時，信噪失真比出現(xiàn)明顯的降低。通常定義信噪失真比下降時對應(yīng)的輸入信號幅度為轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號【，因此，圖所示轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍是。通過動態(tài)范圍指標(biāo)，能夠得到實際轉(zhuǎn)換器的分辨率，分辨率石廠（）西毫越鍛承豁誓翌蟹銎圖轉(zhuǎn)換器信噪比信噪失真比與輸入信號幅度關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)類型奈奎斯特采樣定理是轉(zhuǎn)換器采樣過程的理論依據(jù)，當(dāng)采樣頻率厶高于信號中最高頻率后的倍時，即居犰，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號完整的保留了原始信號中的信息，不會出現(xiàn)頻譜混疊，如圖所示。定義奈奎斯特頻率為信號中最高頻率的倍，即瓜確。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器的采樣頻率