∑-△ADC的降采样滤波器的设计与实现

4.3  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。

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)。

4.4  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。

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。

5 降采样滤波器的ASIC设计

5.1  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。

5.1.1  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。

5.1.2 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。

5.1.3  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。

5.1.4  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。

5.1.5 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。

5．2  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。

6 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。

7  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。