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低功耗、高精度音频数模转换器的设计与实现

作　者: 张昊
导　师: 韩雁
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 音频数模转换器低功耗高精度过采样数模接口混合信号
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

数字音视频技术在本世纪第一个十年中的蓬勃发展和广泛应用,推动了国内音频数模转换器的研究与开发。在低碳节能的大背景下,功耗问题在要求延长使用时间的便携式电子产品中显得尤为突出；同时,人耳对微弱的噪声十分敏感,为了获得更高的音质,16位到24位的高精度音频数模转换器被广泛使用。因此研发低功耗、高精度音频数模转换器对于满足数字音视频市场需求、提高我国集成电路产业的整体竞争力具有重要意义。在此背景下,本论文设计并实现了一个低功耗、高精度音频数模转换器,完成了从指标定义到流片测试的整套设计流程。本文的主要工作和创新点包括：1.归纳了数模转换器技术,对所采用的∑-△数模转换器进行了系统级分析,确定了整体结构,并深入探讨了模拟电路部分所有模块的工作原理和设计要点,总结了解读工艺和绘制版图的原则和经验,最终设计了一个低功耗、高精度音频数模转换器。其中穿插讨论了混合信号集成电路设计中的若干问题,包括数模电路之间的电平匹配、干扰抑制以及数模整体仿真与验证等。2.在中芯国际0.18μm Mixed-Signal 1P6M CMOS工艺上实现了上述设计,芯片核心面积为1.81 mm2。模拟电路部分的典型信噪失真比为89dB,功耗19.1 mW,其中不含缓冲器的功耗为9.1 mW; DAC整体电路的典型信噪失真比为84 dB,功耗20.3 mW,其中不含缓冲器的功耗为10.3 mW；样片良率为90%。测试结果达到了预期目标。3.对测试后的芯片实施了设计改进,提出了一系列可行方案并进行了仿真验证,这些方案包括高性能带隙基准源、片内参考电压产生和低阈值CMOS开关等。与改进前的仿真结果相比,模拟电路部分的功耗减小了58%,总谐波失真减小了4 dB,为今后的流片提供了有益参考。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
缩略词表  10-12
目录  12-16
1 绪论  16-22
  1.1 课题背景及意义  16-17
  1.2 数模转换器的发展与现状  17-19
  1.3 本论文的主要工作  19-20
  1.4 论文的组织结构  20-22
2 数模转换器技术  22-40
  2.1 数模转换器的基本原理和类型  22-24
    2.1.1 数模转换器的基本原理  22-23
    2.1.2 数模转换器的类型  23-24
  2.2 数模转换器的静态参数  24-27
    2.2.1 满量程范围  24
    2.2.2 最小分辨率  24-25
    2.2.3 失调误差  25
    2.2.4 增益误差  25
    2.2.5 积分非线性  25-26
    2.2.6 微分非线性  26
    2.2.7 单调性  26-27
    2.2.8 静态功耗  27
  2.3 数模转换器的动态参数  27-29
    2.3.1 信噪比  27
    2.3.2 总谐波失真  27
    2.3.3 无杂散动态范围  27-28
    2.3.4 信噪失真比  28
    2.3.5 互调失真  28
    2.3.6 建立时间  28-29
  2.4 奈奎斯特率数模转换器  29-32
    2.4.1 电流源数模转换器  29-30
    2.4.2 电阻型数模转换器  30-31
    2.4.3 电容型数模转换器  31-32
  2.5 过采样数模转换器  32-34
  2.6 数模转换器的噪声和误差  34-39
    2.6.1 量化噪声  34-36
    2.6.2 时钟抖动噪声  36-38
    2.6.3 kT/C噪声  38-39
    2.6.4 误差机制  39
  2.7 本章小结  39-40
3 音频数模转换器的电路设计  40-76
  3.1 总体考虑和结构选择  40-42
  3.2 数字电路部分简介  42-48
    3.2.1 插值滤波器  42-43
    3.2.2 ∑-△调制器  43-45
    3.2.3 数据加权平均  45-48
  3.3 模拟电路部分的结构  48-50
  3.4 数模接口电路的设计  50-53
    3.4.1 电平移位电路  50-52
    3.4.2 数据同步电路  52-53
  3.5 基准产生电路的设计  53-58
    3.5.1 带隙基准源  54-57
    3.5.2 误差放大器  57
    3.5.3 电压缓冲器  57-58
  3.6 开关电容DAC电路的设计  58-70
    3.6.1 时钟产生电路  58-59
    3.6.2 开关  59-63
    3.6.3 电容  63-64
    3.6.4 运算放大器  64-69
    3.6.5 开关电容DAC  69-70
  3.7 低通滤波器的设计  70-71
  3.8 整体仿真与分析  71-75
    3.8.1 模拟电路部分整体仿真  71-73
    3.8.3 全芯片混合信号仿真  73-75
  3.9 本章小结  75-76
4 版图设计与验证  76-88
  4.1 流片工艺介绍  76-79
    4.1.1 工艺中的器件  76-77
    4.1.2 工艺中的I/O单元  77-78
    4.1.3 主要工艺流程  78-79
  4.2 模拟部分电路的版图设计  79-82
    4.2.1 模拟电路部分版图的绘制  79-81
    4.2.2 模拟电路部分版图的验证  81-82
  4.3 芯片整体版图的设计  82-85
    4.3.1 可测性设计  82-83
    4.3.2 抗干扰设计  83-84
    4.3.3 数字版图与PAD布置  84-85
  4.4 全芯片数模混合LVS  85-86
    4.4.1 网表的准备  85
    4.4.2 版图的准备及LVS设置  85-86
  4.5 本章小结  86-88
5 芯片的测试  88-100
  5.1 测试方案  89
  5.2 PCB设计  89-92
  5.3 测试向量的生成  92-93
    5.3.1 模拟部分的测试向量  92
    5.3.2 整体芯片的测试向量  92-93
  5.4 测试结果及分析  93-98
    5.4.1 带隙基准源的测试  93-94
    5.4.2 模拟电路部分的测试  94-96
    5.4.3 芯片整体的测试  96-98
    5.4.4 其他测试  98
  5.5 结论  98-99
    5.5.1 测试结果的总结  98-99
    5.5.2 测试结果分析与存在的问题  99
  5.6 本章小结  99-100
6 电路设计的改进  100-110
  6.1 高性能带隙基准源  100-103
    6.1.1 温度系数的高阶补偿  100-102
    6.1.2 电源抑制比的改善  102
    6.1.3 器件的修调  102-103
  6.2 片内参考电压的产生及其缓冲  103-107
    6.2.1 基于片上基准源产生参考电压  103-105
    6.2.2 使用电源和地作为参考电压  105-107
  6.3 低阈值电压MOS管及其应用  107-109
    6.3.1 低阈值电压MOS管  107-108
    6.3.2 低阈值电压CMOS开关  108-109
  6.4 本章小结  109-110
7 总结与展望  110-112
  7.1 总结  110-111
  7.2 展望  111-112
参考文献  112-116
作者简历及在学期间所取得的科研成果  116
  作者简历  116
  发表和录用的文章及专利  116

低功耗、高精度音频数模转换器的设计与实现

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