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一种用于音频的2-2级联结构Sigma-Delta调制器设计

张婷;钟传杰

【摘要】基于csmc0.35μmCMOS工艺,设计了一种用于音频设备的低功耗

Sigma-Delta调制器,该调制器采用四阶噪声整形2-2级联结构实现,在获得高动态

范围和高精度的同时更能够保证系统的稳定性.运算放大器采用两级全差分电路结

构,仿真结果表明,运放的直流开环增益为90.9dB,在3.3V电源电压下,信号带宽为

20kHz,过采样率为64时,信噪比为101.45dB,有效位数达到了16bit,调制器功耗

约为7.8mW.%Inthispaper,Alow-power2-2multistagenoiseshaping

(MASH)Sigma-Deltaanalogtodigitalmodulatorforaudioapplicationis

implemented.Thedesignwasfabricatedina0.35μmCMOSprocess.In

ordertoreducepowerconsumption,fullydifferentialtwostage

operationalamplifiersareused.ThesimulationshowsthattheDCopen

loopgainisupto90.9dB.Whenthepoweris3.3VandOSRis64,the

simulationresultsshowthatSNDRofthemodularcanreach101.45

dB,whilethepowerconsumptionismerely7.8mW.

【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2017(025)017

【总页数】5页(P124-128)

【关键词】音频;低功耗;Sigma-Delta调制器;运算放大器

【作者】张婷;钟传杰

【作者单位】江南大学物联网工程学院,江苏无锡214122;江南大学物联网工程

学院,江苏无锡214122

【正文语种】中文

【中图分类】TN47

数字电路广泛应用于通信、视频等领域，而声音等自然界的信号均为模拟信号。因

此作为连接模拟域与数字域的桥梁，模数转换器的性能对于集成电路的发展起着至

关重要的作用。Sigma-Delta调制器借助于过采样技术和噪音整形技术，具有精

度高、结构简单、对元件匹配要求低等优点[1]，被广泛应用于便携式音频设备中。

而保持高精度的同时降低系统功耗成为音频Sigma-Delta调制器设计的重点与难

点[2]。

基于CSMC0.35μmCMOS工艺，设计了一款四阶噪声整形2-2级联结构的

Sigma-Delta调制器，在MatlabSimulink平台下对调制器进行了系统结构设计，

重点设计了运算放大器、带隙电压源以及一位量化器等电路模块，给出了调制器输

出的仿真结果。

由于高阶单环结构的调制器系统不够稳定[4]，本设计选取了四阶一位量化2-2级

联结构的Sigma-Delta调制器，由两个稳定的二阶子调制器级联而成，因此可以

确保整个级联结构的调制器系统是稳定的。系统结构由调制器和数字消除逻辑两部

分组成，如图1所示。理想情况下，当增益衰减系数和传输函数满足表1的关系

式时[5]，调制器系统能够将第一级的量化噪声完全抵消掉，使得调制器的最终输

出信号中只含有最后一级的量化噪声。

为了实现高精度和低功耗的设计目标，调制器结构的选择是至关重要的。由式（1）

可知[3]，理想情况下，当量化器的位数和过采样率一定时，调制器的阶数越高，

系统达到的信噪比越大，精度越高。

系统建模的主要目的是选取适当的系数使得调制器的性能得到优化。本设计基于

MatlabSimulink平台，根据选定的2-2级联结构系统框图，构建了Sigma-

Delta调制器的系统模型。表2所示的第一组增益衰减系数和反馈系数为大多数文

献里提到的经典系数[6]。对于音频设备而言，调制器应当具有尽量大的输入动态

范围[7]。在仿真的过程中发现，第一级积分器的增益衰减系数对于整个调制器的

性能影响很大，适当减小g1的值能够达到增加输入摆幅的目的。根据表1列出的

系数关系表达式，对于调制器的系数进行调整，得到了表2所示的第二组增益