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高精度音频多位sigma-delta调制器设计

石立春;杨银堂;李迪;吴笑峰;丁瑞雪;梁宏军

【摘要】设计一个内部采用4位量化器的二阶单环多位sigma-delta调制器.为解

决反馈回路中多位DAC元件失配导致的信号谐波失真问题,该sigma-delta调制

器采用CLA(Clockedaveragingalgorithm)技术提高多位DAC的线性度,同时采

用动态频率补偿技术增加积分器的稳定性.调制器信号频率带宽为24kHz,过采样

率(OSR)为128,采用尺寸为0.5μm的CMOS工艺,工作电压为5V.测试结果表明:

在输入信号频率为20kHz时,信噪比(SNR)达103dB,调制器输出信号无杂波动态

范围为102dB;整个调制器功耗为87mW,芯片总面积为2.56mm2.

【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2010(041)002

【总页数】8页(P592-599)

【关键词】sigma-delta调制器;开关电容积分器;高精度;多位

【作者】石立春;杨银堂;李迪;吴笑峰;丁瑞雪;梁宏军

【作者单位】西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点

实验室,陕西,西安,710071;西安通信学院,基础部,陕西,西安,710106;西安电子科技

大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西安,710071;西

安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西,西

安,710071;西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实

验室,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教

育部重点实验室,陕西,西安,710071;西安通信学院,基础部,陕西,西安,710106

【正文语种】中文

【中图分类】TN432

sigma-delta(即ΣΔ)模数转换器(即sigma-deltaADC)[1-3]采用过采样技术和噪

声整形技术降低了对转换器中模拟电路的设计要求，并且此种类型转换器与现代标

准CMOS工艺特别兼容，成为实现中低速高精模数转换器的首选转换器，在数字

音频、语音处理、电子测量和语音通讯等领域得到广泛应用。sigmadeltaADC由

ΣΔ调制器(SDM)和数字抽样滤波器组成。sigma-delta调制器是sigma-delta

ADC的核心部分，其结构选择和电路参数设计决定着整个转换器的采样速率和转

换精度等主要性能指标。1位和多位ΣΔ调制器(分别指量化器精度或分辨率为1

位和多位的ΣΔ调制器)是数字音频领域高精度转换广泛采用的2种方法。1位ΣΔ

调制器[4-6]由于采用1位的量化器具有固有的优良的线性特征。然而，在给定过

采样率的情况下，1位调制器具有式样噪声(Patternoridletones)，其分辨率也

有限。因此，为得到高分辨率以及减小式样噪声，1位调制器通常采用高阶结构，

然而，高阶1位调制器的量化误差间距大，需要具有高压摆率才能快速稳定地运

放，但这导致电路对衬底噪声和基准电压的摆动更加敏感。多位ΣΔ调制器[7-9]

具有以下优点：(1)量化位数每增加1位，调制器转换精度提高6dB；(2)多位量化

器中的积分步长小，使得运放对摆率和带宽的要求比1位量化器中运放的要求较

低；(3)多位调制器具有多个量化等级使得可以输入较大的信号幅度，同时，由于

量化器的量化噪声相关性变小，因此，调制器的式样噪声也小。但多位调制器也存

在以下弊端：反馈回路中多位DAC元件失配会导致信号的谐波失真。为了解决这

个问题，多位调制器必须采用动态元件匹配技术[10-12]。本文作者设计了1个内

部采用4位量化器的二阶单环sigma-delta调制器，同时采用CLA(Clocked

averagingalgorithm)技术提高多位DAC的线性度。为了增强积分器的稳定性，

还采用了动态频率补偿技术。模拟调制器处理的信号带宽为24kHz，在工作时钟

为6.144MHz、过采样率为128时，调制器信噪比(SNR)为103dB，调制器输出

信号无杂波动态范围为102dB。本文从调制器系统结构的选取、各电路模块的设

计以及测试结果等进行介绍和讨论