Sigma-Delta DAC中插值滤波器的研究与实现

摘要
本文的内容是数字音频系统的Sigh’m-Delta数模转换器(DAC)中插值滤波
器的研究与设计。
近些年，音视频已经进入了数字时代，CD、DVD、MP3等大量数字电子设备
进入市场，成为消费电子的熟点。同时随着超大规模集成电路技术的发展，在单
片电路上集成复杂的数字信号处理能力已经成为可能，因此研究音频系统中的
DAC芯片具有很大的现实意义。
本文从Sigma-DeltaDAC的原理出发，详细分析了插值滤波器的结构以及在
Sigma-Delta DAC中的作用，同时根据Sigma-Delta调制器的要求，设计了一个
过采样率为64倍的插值滤波器。插值滤波器采用半带滤波器、1／4带低通滤波器
和采样保持电路三级级联的结构。设计从系统分析开始，建立插值滤波器的三级
级联整体模型，通过权衡三级之间的通阻带频率、通带波纹和阻带衰减等参数，
优化了插值滤波器的系数，整个滤波器只使用了67个系数，面积上得到了充分
的优化。在完成了插值滤波器的Verilog硬件描述之后，还进行了FPGA的验证，
从而保证了设计的硬件可实现性。最后，设计按照标准的ASIC设计流程，进行
了综合、自动布局布线等步骤，完成了最终的设计。
本芯片设计完成之后，在上海中芯国际流片，采用的是O．18岫数模混合信
号、电源电压3．3／1．8V、双阱、六层金属的工艺。芯片大小为1．389×1．452／宵m2。
芯片还进行了封装和测试，测试结果基本满足设计要求，同时也对针对芯片的不
足之处提出了修改意见。
关键字：Sigma-Delta DAC：插值滤波器；插零算法；系数优化；信噪比；

科学技术的进步，特别是半导体工艺技术的快速发展，使得电子产品及元器
件的性能不断更新，它们之间总是相互促进、相辅相成。新型产品的开发对元器
件提出新要求，促使新型元器件的开发：同样，新型元器件的发展与改进给产品
开发提供了极好的条件。
数模转换器(Oig埘tO Analog Converter)，简称DAC是一种将输入的数字信
号转换成模拟信号输出的电路或器件，它被广泛地应用在信号采集和处理、数字
通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。
工业生产以及科学研究中，需要对一些系统参数进行采集、加工和控制。它
们往往是非电的模拟量，例如声、光、磁、热和机械参数等。为了使得电子技术
能够处理这些信号，先要通过传感器把这些非电信号变换为相应的电信号，通过
模数转换器将模拟信号转换成数字信号。数字信号只记录了对应模拟量时间上离
散点的值，这样可以在通讯中发展出时分复用技术，充分利用传输设备传输更多
的信息。而且，数字信号属于高保真信号，对电磁干扰，噪声，器件参数变化不
敏感，电路容易实现。随着数字技术的迅速发展和成熟，尤其是微处理器及专用
数字处理芯片的迅速发展和广泛应用，使得数字信号的大量存储、快速处理成为
很容易的事，因而用数字技术处理模拟信号己越来越受到重视。当数字处理单元
完成对数字信号的处理之后，需要通过数模转换器将数字信号还原成原来的模拟
信号，从而完成整个信号处理的过程。整个数据处理的过程是先把模拟电信号变
换为数字信号(ADC)，再利用数字技术对数字信号加工处理(DSP)，处理结果
根据需要再变换为模拟信号(DAC)，以适应后面显示或执行的要求，实现对模
拟信号的显示或控制。
数模转换器具有和模数转换器相对应的基本功能。模数转换器使数字系统能
从模拟电子系统获取与模拟信号有单值函数关系的数字信号，而数模转换器则可
把数字系统处理输出的数字信号结果变为对应的模拟信号，回送给模拟系统，以
实现对模拟系统工作状态的控制。因此，数模转换器是数字电子系统和模拟电子