16bit音频Sigma-Delta调制器：低功耗设计与优化

"该文介绍了一种低功耗16位音频Σ-Δ调制器的设计，该调制器在1.8V电源电压下运行，功耗仅为1.8mW，具有高精度（16bit）和优异的优化系数（FOM=170）。采用128倍过采样率和3阶噪声整形技术，通过前馈结构及单比特量化来降低功耗。使用PMOS管进行局部反馈以提升调制器性能。调制器基于SMIC 0.18μm工艺实现，并对系统结构、运算放大器和比较器等关键部件进行了深入分析和设计。在SS工艺条件下，仿真结果显示该调制器在20kHz带宽内达到100.8dB的信噪比（SNR），满足16bit精度要求。" 本文详细探讨了设计一款低功耗16bit音频Σ-Δ调制器的方法。Σ-Δ调制器是一种常见的模拟到数字转换器，因其高效的噪声整形能力和高分辨率而在音频应用中广泛使用。在本设计中，调制器的电源电压限制在1.8V，而功耗控制在1.8mW，这在保持高精度的同时实现了显著的能效。 过采样是Σ-Δ调制器中一个关键的技术，它通过提高采样频率来提高信号的分辨率和信噪比。本设计选择了128倍的过采样率，这一策略有助于降低量化噪声并提升系统的总体性能。此外，3阶噪声整形进一步优化了信号质量，通过整形噪声分布，使得输出信号更加接近理想状态。 为降低功耗，设计者采用了前馈结构和单比特量化。前馈结构可以减少反馈路径中的组件数量，从而降低能耗，而单比特量化则简化了量化过程，减少了功耗。同时，通过使用PMOS管实现局部反馈，可以增强系统的稳定性，改善调制器的整体性能。 运算放大器和比较器是Σ-Δ调制器的核心组成部分，它们决定了系统的线性度和速度。作者对这些子模块进行了详细分析，以确保在整个设计过程中满足所需的性能指标。调制器的实现采用了SMIC 0.18μm工艺，这是一种成熟的半导体制造工艺，可以提供良好的性能和成本效益。 在进行电路和版图设计后，通过仿真验证了该调制器的性能。在最佳工艺条件（SS工艺角）下，调制器在20kHz的带宽内达到了100.8dB的信噪比，这远远超过了16bit精度的标准要求。这一结果证明了设计的有效性和可靠性。 这项工作展示了如何通过精心设计和优化，能够在低功耗条件下实现高性能的16bit音频Σ-Δ调制器，这对于便携式和电池供电的音频设备尤其重要。同时，这种设计方法也为其他低功耗模拟/数字转换器的设计提供了有价值的参考。