适用于语音处理的高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计

作     者：王媛 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海鸥

授予年度：2024年

学科分类：0711[理学-系统科学] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 

主      题：模数转换器 Sigma-Delta调制器 悬浮电源动态反相放大器 

摘      要：科技日新月异,模数转换器在生物医疗、数字音频等方面的应用日益广泛,作为高精度转换器的代表,Sigma-Delta ADC的重要性愈发凸显。但是其设计过程中,功耗、精度、带宽及成本等面临重重挑战。尤其近年来可穿戴设备的兴起,受制于有限的电源,Sigma-Delta ADC在功耗方面的要求更加严苛。Sigma-Delta ADC由模拟和数字两部分组成,其中调制器部分对于其性能有决定性影响,因此,本文旨在研究并设计一种高精度、低功耗的Sigma-Delta调制器,以满足高品质模数转换的需求。 本文首先从Sigma-Delta调制器的研究背景及意义出发,通过综述国内外文献,概括其发展历程及最新研究进展。并深入分析本设计中使用的悬浮电源动态反相放大器(FIA)的最新技术研究。接着,深入探讨了Sigma-Delta ADC的原理,分析了与其他类型ADC的区别与联系,详细分析了调制器的主要结构和关键参数。由于调制器的性能指标相互制约且种类多,为更全面地衡量性能,引入了优值,包括Walden优值和Schreier优值。在系统级建模方面,首先结合设计目标,确定所用架构,并详细分析了存在的非理想因素,建立了理想模型和非理想模型,并给出半延时结构的系统级设计框图,随后进行仿真,为电路设计提供了可靠基础,缩短了电路调试时间。 在电路设计环节,本文详细设计了Sigma-Delta调制器的各个模块电路,并重点介绍了FIA,通过纵向与其他种类放大器的对比,展现其结构简单、节约功耗的优点,再横向对比不同结构的FIA,体现共源共栅结构的优势,随后进行前仿及性能对比。最后对所设计的调制器进行了版图设计和验证。结果表明,该调制器具有高精度、低功耗和良好的稳定性,能够满足高品质语音处理的需求。 本设计在SMIC 180nm CMOS工艺下完成,仿真结果显示,在1.2V电源电压下,调制器工作于20 k Hz带宽,信噪失真比达到98.04d B,整体功耗为112μW。实现了高精度与低功耗的平衡。