硕士论文-16bit音频过采样DAC的FPGA设计实现

北京工业大学硕士学位论文16bit音频过采样DAC的FPGA设计实现姓名：冯守博申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：吴武臣2008040116bit音频过采样DAC的FPGA设计实现作者：冯守博学位授予单位：北京工业大学相似文献(10条)1.学位论文邓彦松基于过采样Σ-Δ噪声整形的16位DAC设计和VLSI实现2005本文讨论了实现稳定的1bit高阶调制器的方法，并且实现了稳定的5阶调制器，其信噪比可以达到120dB以上。　　本论文主要论述基于过采样和∑-△噪声整形的16位立体声音频DAC的系统设计及模拟前端结构设计，它采用∑-△转换技术来实现90dB的实际信噪比。其中系统设计包括对调制器结构的选取，调制器阶数和过采样比的确定，稳定性分析以及系统零点优化等等；模拟前端电路设计包括CMOS模拟运算放大器的原理及设计、开关电容积分器、带隙基准源的原理及设计等等，同时还给出上述基本构成元件的设计要求以及相关的注意事项及原理分析；本文的实现部分还给出了该芯片的后端版图实现。通过电路系统仿真以及芯片流片验证，可以达到90dB的信噪比，芯片面积仅有2.7mm2，功耗25mW。芯片已经形成IP，可以单独流片，也非常适合在SOC中应用。2.学位论文曾燕用于D类功放的Σ-Δ调制器设计2007近年来D类功放迅速发展，在瞄准了其潜在的巨大市场之后决定开发一款适用于便携设备的D类功放。在经过前期资料收集，发现∑-△调制技术是一种前沿技术，在国内还不成熟，拥有很大的发展空间，于是开发一款基于∑-△调制技术的D类放大器被确定了下来。这种放大器的思路是把PCM数字信号直接转换成可驱动开关功率管的PWM信号，再经过低通滤波还原初始信号。其中：I'2S音频接口传输n比特分辨率的数据包并进行串并转换，内插滤波器对信号过采样，调制器实现信号的噪声整形，在这之前全部是数字信号的处理，只有后级功率驱动及低通滤波属于模拟部分。这也就是其被称之为全数字滤波器的原由。∑-△调制器的设计依据就是如何提高信噪比，但在信噪比提高的同时会导致系统不稳定或增加电路的复杂性。所以在拓扑结构的选择上将是一个折衷考虑。从量化器输出可分为1比特或多比特输出，从结构上可分MASH结构或单环高阶结构，从零点分布上可选择无优化或优化。最终选择设计一个6比特输出，三阶单环误差反馈结构，无零点优化分布的调制器结构。其电路实现采用流水线结构分级处理输入信号位宽，以便提高运算速度。由于量化器输出是6比特PCM信号，无法直接驱动功率放大电路，所以需要加一个PWM调制模块，调制PCM信号为可直接驱动功率管的正负转换信号，增加了电路的复杂性。采用单环高阶结构，没有采用零点优化，所以相比MASH结构或经过零点分布优化结构信噪比稍差，但是该电路简单且易实现，节约成本。同时6比特3阶噪声整形没有单环高阶1比特存在的不稳定现象，符合稳定判据的充分条件，因此在设计时可以达到满幅输入信号。6比特量化相比1比特量化可以有效减小量化噪声，再加上三阶噪声整形，在理论上可以达到更好的信噪比。结合前级32倍过采样插值滤波，完成了调制器及整个数字模块的时域、频域分析以及RTL级仿真，最后通过了FPGA验证。3.学位论文王秋梅16位∑-△ADC模拟部分的研究与设计2008随着电子技术的发展，模数转换对精度的要求越来越高，∑-△调制器结构成为迄今为止在数字VLSI技术中执行高精度AD转换最吸引人的方法。∑-△(sigma-delta)转换技术是建立在过采样、噪声整形和数字降频滤波器技术的基础上的，它采用过采样噪声整形技术实现高精度模数转换，和传统的Nyquist率模数转换器相比，它可以避免了对模拟电路性能指标和元器件匹配精度的较高要求，可以充分利用现代VLSI的高速、高集成度、低成本的优点。同时∑-△转换器采用DSP技术，其数字化特性可以使之集成到其他的数字芯片上，工艺不具有特殊性，这使它在成本方面也可以下降，优于其他AD转换器。本论文研究与设计的是一种16位∑-△转换器模拟部分电路，∑-△ADC采用∑-△调制技术来实现模数转换。它主要是根据sigma-delta调制原理，设计出二阶sigma-delta调制器，调制器采用全差分开关电容电路实现。并根据系统结构特点优化电路结构，克服电路中存在的积分器非理想特性、比较器非理想特性、开关非零导通电阻、电路噪声等非理想因素。同时对模拟部分的每个模块进行了电路设计，其中包括CMOS运算放大器的设计、基准带隙的原理与设计、开关电容积分器的设计，还有比较器、两相非交叠时钟、反馈DAC等模块的电路结构和参数设计。本文中给出了通过cadence软件验证的各个模块和整体模块的彷真结果，实现了16位ADC的精度要求。4.期刊论文庞世甫.王继安.龚敏.蔡化.PANGShi-fu.WANGJi-an.GONGMin.CAIHua∑-△调制器的六阶噪声整形算法-电子与封装2007,7(2)文章介绍了SDMADC的单一环路和MASH两种结构的优缺点.通过对过采样理论和噪声整形原理的分析,来满足设计的要求推导出六阶MASH算法.为了降低过采样率,同时提高调制器的动态范围和信噪比,可以采用增加积分器的个数,考虑合理的级数,采用三级MASH(2-2-2)结构,采用单比特量化,通过增加调制器的阶数,来满足设计的要求.采用MATLAB进行了仿真,提供一种Sigma-DeltaADC在算法设计中的解决方案.5.学位论文王智韬基于音频应用的数字功率放大处理芯片的设计与实现2008目前，“数字”在我们的生活中发挥着越来越重要的作用，已成为生活中必不可少的部分。在视听领域，数字发挥着重要的作用，20世纪80年代出现的CD，90年代涌现的VCD、DVD、SACD,而数字摄录机(DV)、数字电视(DTV)、数字电影(DC)则开启了视听领域的数字新天地。而多媒体化、互联网化的数字信息娱乐中心将有可能取代传统的听音室、家庭影院，成为全新一代的HiFi、AV的代名词。数字功率放大器在音频领域发挥着重要的作用。“数字功放电路”，是指用数字技术对音频信号进行处理，使模拟的音频信号转换为数字信号，并最终以脉冲宽度调制(PWM)，或是脉冲密度调制(PDM)方式，驱动大功率开关晶体管(一般用MOS场效应管)，并经一个LC电路进行S变换后得到模拟的音频信号，并滤除高频脉冲成分，然后驱动扬声器放音。数字功放具有自己的独特的魅力与特点。与传统的模拟功放相比，数字功放的优点有：1)数字功放的效率非常之高；2)数字功放的音质好；3)抗干扰能力强；4)适合于大批量生产。正因为数字功放电路具有如此多的优点，它被典型地应用于对高线性的要求比带宽要求高的情况。在DVD，MP3等各种音频产品中被大量使用，引起人们很大的研究兴趣。本文旨在探索性的对数字功率放大器信号处理部分的工作原理与设计实现加以研究，并实际设计了一种典型的数字音频功率放大器的信号处理芯片。并对此设计进行了FPGA验证和ASIC实现。本设计采用48kHz，16bit的音频信号源。通过分析，并从性能等方面考虑，使用128倍的过采样和2阶的噪声整形电路来实现将输入的PCM转换成1bit的PWM信号的功能。其中过采样电路采用半带滤波器和积分梳妆滤波器来分别实现2倍和32倍的过采样。其中半带滤波器的特点是传输函数中有一半项的系数为0，所以运算比同等长度的FIR滤波器要少一半，这样可以大大减少滤波过程的运算量与存储器的使用，有利于滤波器的实现，也有利于节省面积。而梳妆积分滤波器则具有在硬件实现时不需要乘法器，也不需要存储滤波器系数，只利用加法和寄存器就可以实现的优点。它主要应用于高的采样频率下，可以大大的减少资源利用率。本设计的验证采用XilinxSpartan33s1500的FPGA来进行功能验证，而流片采用chartered0.35um工艺，整个电路面积为2342﹡2342um2。6.学位论文王升杨数字D类音频功放PWM调制芯片的设计与实现2009“数字D类音频功率放大技术”是指采用数字技术对音频信号进行处理，将其调制成脉宽调制(PWM)信号后，驱动功率级MOS管交替导通，以实现对音频信号进行放大的技术。与传统的AB类放大器相比，D类放大器的功率级MOS管交替工作在开关状态，没有直流通路，因此可以大大提高放大效率，其效率可达90％以上。与模拟的D类放大器相比，数字D类放大器可以直接对数字音源进行放大，省去了模数转换的过程，具有抗干扰能力强，产品一致性好等优点。因此，随着数字技术的发展和便携设备普及，数字D类音频放大器越来越受到市场的青睐[2]。br　　本文旨在探索性的对数字D类功率放大器前级放大部分的工作原理与设计实现加以研究，提出了一种基于全半带滤波器的数字D类音频功率放大器PWM调制芯片的设计方案，并对此设计进行了ASIC实现。br　　本设计采用12S音频接口接收6通道独立输入的20比特位宽，采样频率为48KHz的音频信号，采用12C总线接口接收音量调整控制命令。输入的音频信号经音量调整后，经过16倍过采样插值滤波模块，将采样频率扩展到768KHz，然后再经过4阶Delta—Sigma噪声整形模块，在保持带内信号信噪比不变的前提下，将信号重新量化为6比特位宽的音频信号，最后再将数据经过线性拟合PWM调制模块调制成为差分的PWM信号后输出。br　　本设计采用了全半带滤波器的结构代替了传统的CIC滤波器结构来实现过采样插值滤波模块，在不过分增加实现代价的前提下，可以显著减小音频通路的SNR损失，实现了音频数据的高保真传输。本设计采用SynophysDC进行电路综合，采用SynopsysVCS进行功能仿真及覆盖率测试，用SynophysAstro进行布局布线，芯片的流片采用的是Chartered0.35um工艺。7.学位论文彭亮一种16位音频Σ-ΔDAC的设计与实现2007随着集成电路工艺技术的进步，基于过采样和噪声整形的∑-△数模、模数转换器已经可以交由高集成度、高精度、低成本的数字集成电路完成，大大降低了模拟电路的复杂性，避免了传统数模、模数转换器对工艺的严重依赖性问题。本文通过研究∑-△调制器的基本原理，从系统设计角度分析和研究了设计音频∑-△DAC中的调制器结构、过采样比率、量化器位数、非理想特性、零极点优化和实际系数优化方法等；数字滤波器设计中详细分析了过采样比率与数字插值滤波器的原理和设计方法；在模拟电路部分重点研究了具有1-BitDA转换功能的开关电容滤波器和连续时间滤波器的原理和设计方法，并通过仿真工具对所有设计模块建立数学仿真模型进行功能仿真。在实际电路实现时基于芯片面积优化角度考虑，本文通过改进的∑-△调制器结构，实现了使用单调制器对立体声音频信号的调制，可在不改变芯片时钟系统的情况下节约了芯片面积。为提高模拟电路性能，在模拟电路参数方面也作出了一定改进，并给出了实际电路前仿真、数字电路FPGA验证和数模混合电路前、后仿真结果和最终电路的版图实现。论文最后给出了芯片测试结果，证明本文提出的研究和设计方法有效。在使用0.18μm工艺，数字电压1.8v，模拟电压3.3v下，对16Bit音频输入信号经过∑-△调制器调制和模拟电路恢复，最终能实现90dB输出信噪比。目前，这款16位∑-△音频DAC已经成功应用于一多媒体SOC芯片研发项目中，并取得预期效果，能满足实际设计要求。8.学位论文冯军一种16位∑-△音频ADC中调制器的设计与实现2006∑-△ADC采用过采样噪声整形技术实现高精度模数转换，和传统的Nyquist率模数转换器相比，避免了对模拟电路性能指标和元器件匹配精度的较高要求，并可充分利用现代VLSI的高速、高集成度、低成本的优点，已成为音频模数转换的主要技术。而且随着我国多媒体SOC芯片的迅速发展，也迫切需要自主研发基于CMOS工艺实现的低功耗、低成本、高精度的音频ADC。在深入分析过采样∑-△调制原理的基础上，采用芯片定义—系统设计—电路设计—电路仿真—版图绘制—流片测试这一正向设计方法，最终完成16位∑-△音频ADC芯片的设计。根据市场需