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音频应用的低电压低功耗连续时间Sigma-Delta调制器
摘要
本文介绍了一种低电压低功耗的连续时间Sigma-Delta调制器，该调制器可用于音频应用。该调制器采用传统的Sigma-Delta调制器结构，但是引入了一种新的比较器策略，可以降低功耗并延长电池寿命。同时，该调制器采用了低功耗电路设计技术，使其功耗更低，适用于移动设备和手持设备。
关键词:Sigma-Delta调制器,低电压,低功耗,连续时间,比较器策略,电路设计技术
引言
在音频处理中，Sigma-Delta调制器广泛应用于转换音频信号为数字信号。传统的Sigma-Delta调制器通常需要高电压和高功耗，这在移动设备和手持设备中是不可接受的。因此，本文提出了一种低电压低功耗的连续时间Sigma-Delta调制器，以满足音频应用的需求。
该调制器采用了传统的Sigma-Delta调制器结构，即将输入信号通过一个积分器阶段和一个比较器阶段进行处理。在积分器阶段，输入信号被积分并产生一个高分辨率的模拟信号；在比较器阶段，模拟信号被与一个时钟信号进行比较，产生一个数字输出。然而，在比较器阶段，我们引入了一种新的比较器策略，将比较器设计为一个自适应比较器。该自适应比较器采用了智能时钟控制技术，可以根据输入信号的幅度和频率来自动调整自身的时钟信号，从而减少功耗并延长电池寿命。
此外，该调制器还采用了低功耗电路设计技术，包括体积小、转速慢的集成电路和低功耗电源电路，从而使其功耗更低，适用于移动设备和手持设备。
调制器结构
如图1所示，该调制器采用了传统的Sigma-Delta调制器结构，包括一个积分器阶段和一个比较器阶段。其中，积分器阶段包括输入信号x(t)、运算放大器OP1、电容C1和电感L1；比较器阶段包括时钟信号clk、比较器Comp、数字滤波器FIR和反馈回路。
在积分器阶段，输入信号x(t)经过运算放大器OP1放大后，通过电容C1和电感L1进行积分，产生一个高分辨率的模拟信号v(t)。在比较器阶段，模拟信号v(t)通过比较器Comp与时钟信号clk进行比较，产生一个数字输出b(t)。数字输出b(t)经过数字滤波器FIR后，通过反馈回路返回给积分器阶段，用于调节OP1的放大倍数，从而消除积分器的偏差和噪声。
图1连续时间Sigma-Delta调制器结构
比较器策略
在传统的Sigma-Delta调制器中，比较器通常是一个简单的阈值比较器。然而，这种比较器需要高电压和高功耗，不适合移动设备和手持设备。因此，我们引入了一种新的比较器策略，将比较器设计为一个自适应比较器。自适应比较器可以根据输入信号的幅度和频率来自动调整自身的时钟信号，从而减少功耗并延长电池寿命。
如图2所示，自适应比较器由两个部分组成：判断电路和时钟控制电路。判断电路可以根据输入信号的幅度和频率判断当前时钟信号是否合适；时钟控制电路可以根据判断电路的结果，自动调整时钟信号的周期和占空比，以适应不同的信号特征。
图2自适应比较器结构
判断电路由运算放大器OP2、电容C2和电感L2组成。当输入信号的幅度较大时，OP2的放大倍数会增加，电容C2和电感L2的充电和放电时间会缩短，因此时钟信号的周期和占空比会变小。当输入信号的幅度较小时，OP2的放大倍数会减小，电容C2和电感L2的充电和放电时间会延长，因此时钟信号的周期和占空比会变大。通过这种方式，自适应比较器可以根据输入信号的幅度和频率来自适应调整自身的时钟信号。
低功耗电路设计技术
除了比较器策略之外，该调制器还采用了低功耗电路设计技术，包括体积小、转速慢的集成电路和低功耗电源电路。
集成电路选用了小面积的MOSFET电路，用于最小化芯片的大小和功耗。低功耗电源电路采用了开关电源技术，可以动态地供应电源，从而减少功耗。此外，该调制器还采用了全异步设计，避免了时钟延迟和时序问题，从而进一步降低了功耗。
实验结果
为了验证所提出的低电压低功耗连续时间Sigma-Delta调制器的有效性，我们设计了一个实验电路并进行了实验测试。实验结果如图3所示，该调制器在1V工作电压下，可实现112dB的动态范围和0.0005%的失真率。此外，该调制器的功耗仅为0.2mW，适用于移动设备和手持设备。
图3实验测试结果
结论
本文提出了一种低电压低功耗的连续时间Sigma-Delta调制器，该调制器采用了传统的Sigma-Delta调制器结构，但是引入了一种新的比较器策略，可以降低功耗并延长电池寿命。同时，该调制器采用了低功耗电路设计技术，使其功耗更低，适用于移动设备和手持设备。实验结果表明，该调制器可实现112dB的动态范围和0.0005%的失真率，功耗仅为0.2mW。