一种应用于σ-δadc的低功耗数字抽取滤波器设计

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1、学校代码10530学号201510121262分类号TN492密级硕士学位论文一种应用于Σ-ΔADC的低功耗数字抽取滤波器设计学位申请人汪杰指导教师谢亮副教授学院名称物理与光电工程学院学科专业集成电路工程研究方向数字集成电路设计二○一八年六月DesignofaLowPowerDigitalDecimationFilterforSigma-DeltaADCCandidateJieWangSupervisorAssociateProfessorLiangXieCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectr

2、icEngineeringProgramIntegratedCircuitsEngineeringSpecializationDigitalIntegratedCircuitDesignDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要

3、贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要Σ-Δ模数转换器(Analog-to-digitalConve

4、rter，ADC)作为一种低速高精度的过采样ADC，由于其低功耗、高线性度和高分辨率的特性，近些年来，在数字信号处理、数字通信系统、高保真音视频、精密测量等方面获得了广泛的应用。Σ-ΔADC的组成包括两个部分：Σ-Δ调制器和数字抽取滤波器。Σ-Δ调制器主要负责将输入信号进行调制，然后输出高速低精度的数字信号。数字抽取滤波器主要负责将该高速低精度的数字信号进行滤波和降采样，使其以Nyquist速率输出高精度的数字信号。一般而言，Σ-ΔADC的精度和转换速度主要取决于调制器，面积和功耗则主要由数字抽取滤波器来决定。显然，高功耗大

5、面积的产品已经不适应当前产品的发展趋势，本文的目的旨在于设计一款低功耗小面积的数字抽取滤波器，用于16位的Σ-ΔADC中。本文设计的数字抽取滤波器立足于实际的工程应用，经过对比考虑，最终选用了级联积分梳状(CascadeIntegratedComb，CIC)滤波器、有限冲激响应补偿(Finite-impulse-responseCompensator，CFIR)滤波器和半带(Half-band，HB)滤波器级联的方式实现该数字抽取滤波器。在设计中，运用Noble恒等式原理、递归型结构、多相分解技术、滤波器系数对称技术和规范符

6、号字编码技术，对传统的CIC滤波器、CFIR滤波器和HB滤波器进行结构和算法上的优化和改进，精简结构、减少有效系数、降低运算量。在此基础上，一方面，本文提出了一种奇偶优化法，可以针对滤波器长度的奇偶性对滤波器的结构进行进一步的优化与改进；另一方面，提出一种除法实现算法，可以减少ADC在进行误差校准过程的耗时。这两种方法结合前面现有的一些技术方法，能够在很大程度上降低数字抽取滤波器的功耗和面积。基于CMOS110nm工艺，进行了寄存器传输级(RegisterTransferLevel，RTL)设计和后端实现。后仿真结果表明，在

7、10MHz采样频率，5016.326904kHz正弦输入信号频率和256倍降采样率的情况，数字抽取滤波器的信噪失真比SNDR为91.1dB，有效位数ENOB达到14.84bit，无杂散动态范围SFDR为95.6dB，总谐波失真THD为-95.6dB。在1.5V电源电压下，数字电路(带SPI)的面积约为20.25mm，总功耗仅为376μW。与同类型的其他数字抽取滤波器文献相比，本设计实现了更低的功耗和面积。关键词：Σ-ΔADC；低功耗；数字抽取滤波器；多相分解；奇偶优化法IAbstractThesigma-deltaanalo

8、g-to-digitalconverter(ADC)isalow-speed,high-precisionoversamplingADC.Inrecentyears,duetoitspropertiesoflowpowerconsumption,highlinearity,andhighr