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(多图) ∑-△ADC的降采样滤波器的设计与实现

叶振伟 蔡敏?? 2009年04月21日 ?? 收藏0

  3.3 FIR半带滤波器

  FIR型半带滤波器是一种特别适合实现D=2倍降采样的线性相位滤波器,其硬件结构非常简单,因此在降采样系统中的最后一级一般都采用半带滤波器。

  根据∑一△ADC的技术指标,可以得到三级半带滤波器的设计参数,如表1所示。

三级半带滤波器的设计参数

  通带设为O~180 kHz,是为了保证0~150 kHz带宽内均能满足指标要求。通带纹波取0.000 005(0.000 043 dB),是为了满足设计的有效位数为14 bit,并且考虑到尾数舍入等非理想因素的存在。

  根据表1,调用Matlab 7.O中的工具箱组件filter design,得到三级半带滤波器的系数。表2分别列出了三级半带滤波器的阶数(延时单元)。

三级半带滤波器的阶数

  3.4 系统仿真与验证

  实现∑-△ADC的整体结构如图3所示,抽取滤波器由Sharpened CIC滤波器、ISOP滤波器和三级半带滤波器组成。Sharpened CIC实现16倍抽取,三级半带滤波器实现8倍抽取。

∑-△ADC的整体结构

  图4为150 kHz输入信号(一2.5 dBFS)仿真输出数据的FFT图。表3、4、5分别为SINAD、SFDR和THD的仿真数据。

150 kHz输入信号仿真输出数据的FFT图

信号与噪声加失真比

无杂散动态范围

总谐波失真

  4 降采样滤波器的ASIC设计

  4.1 电路设计

  本设计用Verilog硬件描述语言描述电路,采用Synopsys的Design Compiler进行综合。

  4.1.1 滤波器系数优化

  本设计采用CSD码(canonical signed-digit)来表示量化后的系数。和二进制代码相比CSD码采用0、l和一1来表示一个数,具有非零位的个数最少、每一个非零位的相邻位必为零的特点。

  4.1.2 乘法器设计

  本设计中乘法器单元的上限定为16×16,本文采用了Synopsys提供的DesignWare库中的16×16乘法器单元,该单元的设计和综合都比较成熟,通过Design Compiler综合后面积和速度的优化都比较理想。对于位数高于16 x 16的乘法器,本文以16×16乘法器单元先进行低位乘法运算,再进行高位乘法运算,最后再将高低位结果移位相加得到最终的乘法结果。

  4.1.3 各级间输入输出位数的确定

  本文设计了一个滤波器各级位数动态可调的方法,对降采样滤波器各级输入、输出位数各种可能的情况进行分析,得到最终的各级滤波器的输入输出数据位数如表6所示。

各级滤波器的输入输出数据位数

  4.1.4 时钟的处理

  系统用到了多个分频时钟,为了方便后面布局布线做时钟树,本设计采用计数器产生使能信号进行分频。

  4.1.5 Design Compiler综合

  本设计采用SMIC 0.18μm CMOS工艺库,将编写的Verilog代码用Synopsy的Design Compiler综合,通过加上适当的约束条件反复优化,最终得到综合结果。综合结果通过Synopsys VCS仿真验证。

  4.2 版图设计

  本设计采用Cadence Encounter对综合后的滤波器的门级网表进行布局布线,图5是完成布局布线后的版图。芯片主要参数如表7所示。

完成布局布线后的版图

芯片主要参数

  5 芯片测试

  在模拟三阶CRFB结构的∑-△调制器输入的情况下,通过逻辑分析仪采集输入为150 kHz正弦信号的输出数据,并由计算得到的频谱如图6所示,信号与噪声加失真比(SINAD)大于86 dB,满足性能指标要求。

芯片测试输出信号频谱图

  6 结论

  本文介绍了一个用于带宽150 kHz、精度16 bit的高精度、宽带∑-△模数转换器中的降采样低通滤波器。本设计可以集成在SOC芯片中,主要应用于医疗仪器、移动通信、过程控制和PDA等领域。滤波器通过级联Sharpened CIC滤波器、ISOP滤波器和半带滤波器实现。并通过Synopsy的Design Compiler进行电路综合和Cadence Encounter进行布局布线,采用SMIC 0.18μm CMOS工艺实现。系统仿真和芯片测试结果表明,性能满足设计指标要求。


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ADC? 滤波器? ASIC?

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