180nm工艺高性能音频Sigma-Delta A/D转换器设计：16bit四阶与低功耗特性

本文档介绍了一种基于SMIC 180纳米混合信号CMOS工艺的16位四阶级联Sigma-Delta模数转换器（ADC），专门设计用于处理音频信号。它采用了过采样率为64的技术，这有助于提高抗噪声性能，适用于信号带宽为20千赫兹的音频信号处理。数字滤波器部分采用了CIC抽取滤波器、CIC补偿滤波器以及半带滤波器的级联结构，这种设计使得通带纹波低于0.01分贝，提供了极低的阻带衰减，达到了-100分贝，确保了信号的纯净度。 Sigma-Delta ADC利用噪声整形原理，能够在较低的元件失配限制下提供高精度转换，尤其适合中低速但对精度要求高的应用领域，如电子测量、地磁传感和音频设备。1位Mash-2-2量化结构的选择使得16位量化精度得以实现，同时考虑到系统设计的冗余，选择了64倍的过采样率。这样做的目的是为了提高信噪比（SNR）并降低量化误差。 设计中的调制器电路是关键组件，包括栅压自举开关和传输门开关。这些非线性开关的精确控制对于减少谐波失真和保持信号动态范围至关重要。栅压自举技术的应用使得NMOS开关的栅极电压Vgs保持稳定，从而提升了开关的线性度，确保了转换过程中的信号完整性。 通过z域分析，输入信号经过L阶Sigma-Delta调制器处理后，输出信号会受到量化噪声的影响，但噪声会被多级整形，从而提高转换的精度。理论上，通过增加阶数、过采样率或者量化器位数，可以进一步提升信噪比。设计中的Σ-Δ调制器模拟器模型和数字抵消逻辑（H1(z)和H2(z)）经过充分验证，确保了在实际工作中的性能表现，信噪比达到107分贝，符合设计目标。 这篇论文详细介绍了如何通过精心设计的电路结构和工艺技术，实现了高精度且低功耗的音频信号Sigma-Delta ADC，这在现代电子系统中具有重要的应用价值。