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音频应用的低电压低功耗连续时间Sigma-Delta调制器

作　者: 李渊文
导　师: 许俊
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 模数转换器 Sigma-Delta调制器 连续时间滤波器 RC积分器 低电压低功耗
分类号: TN761
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


不断扩展的便携式电子产品市场促进了学术界对高性能,低功耗,低电压电子系统的研究。对于广泛应用的音频便携式电子产品而言,SOC片上集成系统是一种高性能低成本的解决方案。随着半导体制造工艺的快速发展,在SOC系统上如何实现低功耗,低电压的设计已经成为非常重要的研究课题。本篇论文针对这种趋势,研究了高性能,低电压,低功耗的音频sigma-delta模数转换器的实现。Sigma-delta模数转换器是音频电子系统的一个重要组成部分,其性能的好坏大大影响了整个电子系统的性能。本篇论文展示了一个工作在1V电源电压下的三阶,单比特连续时间的sigma-delta调制器。和传统的离散时间sigma-delta调制器相比,连续时间的sigma-delta调制器具有较低功耗和固有的抗混叠滤波的优势。本文所述的sigma-delta调制器采用连续时间RC积分器来实现环路滤波的功能,在系统级上则采用CIFB(反馈串联积分器)架构来降低工艺偏差引起的RC时间常数偏移的影响。本文提出并验证了一种针对连续时间sigma-delta调制器的设计方法,该设计方法基于VerilogA行为级模型,具有很高的设计效率。本论文还提出了多种系统级和电路级的设计方法来解决低电源电压和低功耗设计所面临的各种问题。此外,论文还对连续时间RC积分器中的运算放大器的有效负载进行了详细的推导,并采用两级ClassA/AB运算放大器来实现低功耗的设计目标。所展示的sigma-delta调制器在SMIC 0.13-μmCMOS工工艺下成功流片,在20-KHz信号带宽范围内SNDR达到82.3-dB,动态范围达到85-dB。整体调制器在1V电源电压下消耗60μW的功耗,而有源面积只0.12mm2。

全文目录


摘要  11-12
Abstract  12-13
Chapter 1 Introduction  13-18
  1.1 Motivation  13-15
  1.2 Research goal  15-17
  1.3 Organization  17-18
Chapter 2 Sigma-Delta A/D converter fundamentals  18-30
  2.1 Nyquist A/D converters  18-19
  2.2 Fundamentals of sigma-delta A/D converter  19-26
    2.2.1 System architecture of sigma-delta A/D converter  20
    2.2.2 Oversampling  20-21
    2.2.3 Noise shaping  21-23
    2.2.4 First order sigma-delta modulator  23-25
    2.2.5 Second order and higher order sigma-delta  25-26
  2.3 Architectures of sigma-delta modulator  26-30
    2.3.1 Single-bit and multi-bit sigma-delta modulator  26
    2.3.2 Single-loop sigma-delta modulator architecture  26-27
    2.3.3 Multi-loop sigma-delta modulator  27-30
Chapter 3 Continuous time sigma-delta modulators  30-49
  3.1 Continuous-time and discrete-time sigma-delta modulators  30-35
    3.1.1 Sampling Operation  31-32
    3.1.2 Loop filter realization  32-34
    3.1.3 Feedback DAC realization  34-35
  3.2 Inherent Anti-Alias Filtering  35-37
  3.3 Circuit implementation of continuous-time filters  37-39
  3.4 Non-idealities in continuous-time sigma-delta modulator  39-49
    3.4.1 Opamp non-idealities  39-41
    3.4.2 Excess loop delay  41-43
    3.4.3 DAC non-idealities  43-46
    3.4.4 Loop filter coefficient variation  46-49
Chapter 4 System level design  49-60
  4.1 Parameter selection  49-50
  4.2 Loop filter architecture design  50-52
    4.2.1 Synthesizing continuous-time loop filter  50-51
    4.2.2 Architecture selection  51-52
  4.3 System level simulation  52-56
    4.3.1 Dynamic scaling of signal swings  52-54
    4.3.2 System dynamic performance  54-56
    4.3.3 Time constant variations  56
  4.4 Noise budget  56-60
    4.4.1 Noise induced by DAC non-idealities  57-58
    4.4.2 Noise in integrators  58-60
Chapter 5 Circuit and layout design  60-77
  5.1 Loop filter implementation  60-61
  5.2 Proposed circuit design methodology  61-62
  5.3 Low voltage low power opamp design  62-70
    5.3.1 Circuit schematic of the opamp  62-65
    5.3.2 Noise consideration of the opamp  65-67
    5.3.3 Effective load of the opamp  67-69
    5.3.4 Opamps of the subsequent stages  69-70
  5.4 Single-bit quantizer and latch  70-72
  5.5 Feedback DAC  72-73
  5.6 Clock generation  73-74
  5.7 Modulator layout design  74-77
Chapter 6 Measurement result  77-85
  6.1 Evaluation board design  77-81
    6.1.1 Test scheme  77
    6.1.2 PCB board design  77-81
  6.2 Measurement results  81-84
  6.3 Comparison  84-85
Chapter 7 Conclusion and future work  85-87
  7.1 Conclusion  85
  7.2 Future work  85-87
Reference  87-91
Acknowledgement  91-92

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 调制技术与调制器、解调技术与解调器 > 调制技术与调制器
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