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Sigma-delta A/D转换器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 A/D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A/D转换器。在Richard Schreier的Matlab sigma-delta调制器设计工具包的基础上,论文提出了一种新的高阶sigma-delta调制器top-down设计方法,并给出了详细的设计步骤。通过这种方法,可以确定在最大输入范围下的稳定调制器的噪声传递函数。首先根据这种设计方法对不同过采样率、不同阶数和不同量化器位数组合下调制器的传递函数进行设计,然后结合环路滤波器模型,设计所需要的调制器。论文还建立了几种通用环路滤波器模型,对几种通用环路滤波器(CIRB、CIFF、CRFB、CRFF)进行了比较分析。还建立了调制器仿真模型,并对调制器的稳定性进行了理论分析,然后给出了几个经验设计准则。根据本论文提出的top-down设计方法,设计了一种16位、128过采样率的低通调制器系统,并通过了MATLAB仿真。为了满足在行为级对sigma-delta调制器完整的仿真需要,本论文还构造了在SIMULINK环境下sigma-delta调制器的非理想因素与噪声模型,包括:采样时钟抖动、采样开关热噪声(KT/C噪声)、运放热噪声、运算放大器的有限增益、有限带宽、压摆率及饱和电压等。在给出噪声模型具体实现的基础上,设计出本设计的三阶sigma-delta调制器模型,通过了仿真,验证了噪声模型的正确性。最后,论文根据前面设计的16位、128过采样率的低通调制器系统,对其进行电路级设计。并根据系统要求,推算出电路级参数,得到电路模块设计规格。电路级采用开关电容电路实现,基于SMIC的0.25um CMOS标准工艺,设计了运放、反馈DAC、比较器、开关电容等基本模块。并且通过了HSPICE的电路级仿真,验证了模块的正确性。