【摘 要】
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当今,便携式可穿戴设备得到了快速发展并拥有广大的发展前景,而高分辨率和低功耗音频芯片作为便携式可穿戴设备必不可少的功能模块,其需求也在持续增长,与此同时,sigma-delta ADC（Σ-ΔADC）作为应用于低频带高精度ADC的典型ADC架构,被广泛应用于音频芯片,成为音频芯片中关键的模块,因此设计一款高能效音频Σ-ΔADC,对于便携式可穿戴设备的发展有着重要意义。所谓高能效,即以较低功耗实现较
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当今,便携式可穿戴设备得到了快速发展并拥有广大的发展前景,而高分辨率和低功耗音频芯片作为便携式可穿戴设备必不可少的功能模块,其需求也在持续增长,与此同时,sigma-delta ADC（Σ-ΔADC）作为应用于低频带高精度ADC的典型ADC架构,被广泛应用于音频芯片,成为音频芯片中关键的模块,因此设计一款高能效音频Σ-ΔADC,对于便携式可穿戴设备的发展有着重要意义。所谓高能效,即以较低功耗实现较高分辨率的模数转换。而Σ-Δ调制器作为Σ-ΔADC中的核心模块,也是Σ-ΔADC的主要功耗来源,因此展开对Σ-Δ调制器的能效提高技术的研究具有非常重大的意义和现实需求,也是本文设计所研究的重点。本文首先对Σ-Δ调制器进行了详细的原理分析、性能指标介绍以及基本结构分析,为本文调制器选择高能效的拓扑结构提供有力的理论支撑,并最终确定本文设计所采用的结构为“连续时间三阶一位量化以及前馈反馈混合拓扑结构”。为提高调制器电路设计的准确性和效率,首先对调制器进行系统设计和建模,并针对调制器的非理想因素进行分析,同时通过非理想因素建模得到各模块性能指标以指导后续电路设计。本文为了提高调制器能效,采用了Negative-R补偿技术对有源RC积分器的非理想因素进行补偿,该技术通过改善积分器的响应以及降低电阻热噪声来提高调制器性能,同时也放宽了运放的指标要求,有效降低了功耗;此外,通过采用FIR反馈DAC来降低一位量化所带来的较大时钟抖动噪声,该技术继承了多位量化结构的优势,在有效提高调制器信噪比的同时,以一位量化实现了电路的简单性和低功耗,即实现了调制器的高能效。最后,基于SMIC 0.18μm CMOS工艺完成了高能效音频连续时间Σ-Δ调制器的电路以及版图设计,并完成后仿真验证。最终实现了100.7 d B的信噪失真比,整体功耗为161μW,能效指标Fo M（Figure of merit）为181.6 d B,达到了高能效的水平。
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