一种16位Sigma-Delta ADC中抽取滤波器的研究与设计
随着集成电路产业的发展，ADC模数转换器正朝着高速、高精度，低功耗的方向发展。Sigma-Delta ADC作为超高精度模数转换器的代表，依托数字音频得到了长足地发展。Sigma-Delta ADC采用过采样技术和量化噪声整形技术，可以达到很高的信噪比，并且可以实现超高精度输出。Sigma-Delta ADC主要由模拟调制器和数字抽取滤波器两部分组成。本文的目的是设计完成一款带宽20KHz，精度为16bit，输出频率为44KHz的Sigma-Delta数字抽取滤波器。该滤波器由多级梳状滤波器与半带滤波器级联组成，能够有效滤除模拟调制器输出的高频噪声。本文的主要内容包括: 1、首先讨论了A/D转换器的基本原理，其中包括ADC采样保持，量化编码的介绍。同时从功能、精度等方面，横向比较了不同类型的ADC。接下来重点介绍了Sigma-Delta ADC的工作原理与整体结构。Sigma-Delta ADC由模拟调制器与数字抽取滤波器组成。本文对这两个模块均进行了详细说明，并且介绍了过采样技术与量化噪声整形技术的原理。接下来分别介绍了Sigma-Delta ADC的技术指标，包括ADC的静态特性参数和动态特性参数。 2、分析设计要求，并且提出设计方案。通过MATLAB进行系统仿真，确定本设计采用梳状滤波器与半带滤波器级联的结构。利用Sigma-Delta设计工具包进行系统仿真，为了满足系统128倍降频的需求，最终确定采用4阶5级非递归结构梳状滤波器完成32倍降采样，采用2级半带滤波器完成剩余的降频。通过仿真，可以得到数字抽取滤波器满足系统要求，最终输出精度为16bit。 3、利用Matlab仿真得出的滤波器参数，设计各级子模块的RTL代码。其中包括时钟分频模块，级联梳状滤波器模块，级联半带滤波器模块，输出精度截取模块的设计。在RTL代码编写时，考虑了对时序的优化，最终完成RTL顶层连接。接下来，利用业界主流的UVM验证方法学，搭建可复用的验证平台。采用Matlab模型作为黄金参考模型，对数字抽取滤波器的RTL进行了充分的验证。验证结果表明，RTL功能正确。同时采用随机化激励，对RTL的功能覆盖率和代码覆盖率进行了分析。至此，数字抽取滤波器的RTL设计工作完成。 4、利用DC工具完成芯片代码综合，产生网表供后端使用。本设计后端流程采用上华CSMC0.5μm混合信号工艺。最终利用Encounter自动布局布线，完成芯片版图设计。
模数转换器;抽取滤波器;过采样技术;量化噪声整形;RTL代码;芯片设计
北京交通大学
硕士
微电子学与固体电子学
李哲英
2014
中文
TN713.7;TN792
76
2014-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）