随着人工智能技术的飞速发展,使用语音指令操控设备成为了现实,将语音指令转换为设备识别的机器指令需要依赖模数转换器。Sigma-Delta模数转换器以其精度高、对硬件要求低等特点,广泛应用于便携式语音信号处理等领域。虽然先进的CMOS工艺可以不断降低集成电路的电源电压,从而减少功耗,但在低电压下,晶体管可分配的电压随之下降,对电路的性能会造成一定的影响。本文针对语音识别这个应用领域,面向AI语音芯片对低功耗Sigma-Delta调制器展开了研究与设计,重点是围绕其低功耗和精度优化展开研究与设计,主要内容包括:1、针对低功耗AI语音芯片以及现代先进CMOS工艺制定出设计方案,结合理论计算、系统级建模仿真以及分析电路可能会引入的非理想因素,归纳总结出一套Sigma-Delta调制器从参数设计到电路版图设计的完整设计流程。2、在提升精度方面,本文采用浮动系数迭代思想对调制器的各项系数进行优化,系数经过优化后可以使调制器的输出精度提升约0.3-bit。3、为了降低Sigma-Delta调制器电路的复杂度,本文对调制器中DAC反馈电路进行了研究,在常规积分器采样电容与采样开关之间,接入不同的参考电压,实现了无电阻DAC,电路复杂度明显下降。为了进一步降低电路功耗,设计了一种运放共享策略的积分器,该策略通过对调制器采样和积分工作状态进行分析,重新设计采样、积分电容的连接方式,仅使用一个积分器完成三阶调制器中三个积分器的功能。在此基础上,结合浮动系数迭代思想,在UMC的0.11-μm标准CMOS工艺下,设计了一款面向AI语音芯片的低功耗Sigma-Delta调制器,芯片面积为0.056 mm~2,后仿真结果表明,在1.2 V电源电压,2 MHz采样频率下,输入峰峰值为1 V的差分信号,8 KHz语音带宽内有效位数为15.34-bits,功耗为104μW,比同阶三个积分器结构的调制器功耗降低了73μW,利用浮动系数迭代思想与运放共享策略实现了精度与功耗之间良好的均衡。