量測結果

實際的量測情況如圖4-48 所示，供應電壓源(Power Supply)為供應板子上的 電源，音頻產生器(Audio Precision)為提供板子類比的輸入訊號，示波器(Scope)

為觀察訊號輸出值，三用電表(Meter)為量測板子上的偏壓點，邏輯分析儀(Logic Analyzer)為量測晶片的數位的輸出碼，波型產生器(Waveform Gen.)為供給板子的 時脈訊號。所使用的儀器型號在表4-7 所示。圖 4-49 為晶片的顯微照。

圖4-48 量測實際環境 表4-7 儀器型號表

Instrument Model

Power Supply Agilent (E3631A) Audio Precision ATS-1 Access

Meter Picotest (M3500A) Waveform Generator Agilent (33220A)

Logic Analyzer Tektronix (TLA5201)

Scope Tektronix (TDS2024)

圖4-49 晶片顯微照電路

圖4-50 為晶片封裝的完成圖，使用的封裝方式為 CLCC，腳位數為 68 隻腳。

圖4-51 為完成的 PCB 板電路，板子整體大小為 16.5cm．11.5cm。表 4-8 為打入 晶片的供應電壓偏壓，表4-9 為偏壓電路的外接電阻值。

圖4-50 晶片封裝完成圖

圖4-51 PCB 板電路 表4-8 供應偏壓輸出 Measure of Supply Voltage

VDD (A) Vrefp Vrefn Vcm VDD (D) Voltage 1.8017 1.2013 0.6044 0.9064 1.799

Ideal 1.8 1.2 0.6 0.9 1.8

表4-9 偏壓電阻輸出 Measure of Resistor

OP2 Detector Dynamic OP1 Ideal Voltage 801.25 kΩ 801.52 kΩ 801.26 kΩ 801.25 kΩ 800 kΩ

為了使待測晶片能接收到更乾淨的供應電源，所以供應晶片的電源部分獨立 出來成一組待測板，如圖4-52 所示。除了供應電源獨立出來外，也由於待測晶片 也獨立成一組板子，所以進入晶片的接地電位與供應電源的接地電位便不會相互 干擾。量測時，則把供應電源待測板上的電位透過單芯線傳送至晶片待測板上用 以測量。如此一來，可使待測晶片有較良好的輸出表現。

DUT

Analog Input Digital Output Digital

Output

圖4-52 PCB 板電路之獨立供應電源

在上一章節中提到封裝和插座所帶來的非理想效應會影響電路的運作，尤其 在高頻的應用上更要注意此效應所帶給晶片本身的影響。雖然本論文操作於音頻 的應用，但還是考量了此效應的影響。為了降低封裝完成的晶片鎊線(Chip Bondwire)和晶片基座(Chip Socket)所帶來的非理想效應影響，所以把裸晶(Die)獨 立鎊線於待測電路板上，如圖4-53 所示，待測板上的黑色圓點即為裸晶鎊線完成 的位置，使用黑色膠膜做為保護。如此一來，待測晶片即能接收到較好的訊號，

而數位輸出碼的訊號品質也能大幅的改善。

Chip

Analog Input

Digital Output Digital

Output

圖4-53 PCB 板電路之晶片鎊線 A. 類比輸入訊號

圖4-54 為音頻產生器打入晶片所量測的差動弦波訊號為 Vinp與Vinn，使用三 用電表所量測出來的偏壓點如表4-10 所示，示波器的平均值(Mean)也列於其中。

圖4-54 音頻產生器輸出類比輸入訊號

表4-10 類比輸入訊號量測 Measurement of Analog Input

Vinp Vinn Ideal Mean 907 mV 906 mV 900 mV

Frequency 7.402 kHz 7.402 kHz 7.42 kHz Vp-p 568 mV 568 mV 560 mV Meter 0.904 V 0.904 V 0.9 V

B. 數位輸入訊號

圖4-55 為波型產生器的輸出訊號為打入晶片的訊號，晶片輸入的弦波訊號為 CLK，使用三用電表所量測出來的值如表 4-11 所示。

圖4-55 數位輸入訊號

表4-11 數位輸入訊號量測 Measurement of Digital Input

CLK Ideal

Mean 865 mV 900 mV Frequency 6.41 MHz 6.4 MHz Vp-p 2.06 V 1.8 V Meter 0.8993 V 0.9 V C. 數位輸出訊號

圖4-56 為邏輯分析儀截取的數位訊號，經由 MATLAB 轉換的結果，(a)為波 型產生器供給晶片的輸入訊號，頻率為6.4MHz。(b)與(c)為時脈輸出的 clk1 與 fab2 訊號，頻率為3.2MHz。由量測結果得知 clk1 與 fab2 的關係跟模擬結果吻合。

0

4850 4900 4950 5000 5050 5100 5150 5200

0 Measurement : Clock Output

Mean Meter

圖4-58 晶片量測第一級積分器的偏壓輸出

表4-13 OP1 的偏壓電路輸出 Measurement : Bias of OP1

Mean Meter Vb0_d 1.26 V 1.293 V Vb1_d 0.535 V 0.5108 V

Ideal 1.3 V & 0.5 V 1.3 V & 0.5 V E. 第二級積分器偏壓輸出

圖4-59 為第二級積分器的偏壓電路輸出，所量測出來值為表 4-14 所示。

圖4-59 晶片量測第二顆積分器的偏壓輸出

表4-14 OP2 的偏壓電路輸出 Measurement : Bias of OP2

Mean Meter Vb0_d 1.24 V 1.274 V Vb1_d 0.564 V 0.5438 V

Ideal 1.3 V & 0.5 V 1.3 V & 0.5 V

F. 預先偵測器偏壓輸出

圖4-60 為預先偵測器使用的偏壓電路輸出，所量測出的值為表 4-15 所示。

圖4-60 晶片量測預先偵測器的偏壓輸出

表4-15 預先偵測器的偏壓電路輸出 Measurement : Bias of Detector

Mean Meter

Vb0_d 1.18 V 1.2237 V Vb1_d 0.652 V 0.6168 V

Ideal 1.2 V & 0.6 V 1.2 V & 0.6 V

G. 動態量化器偏壓輸出

圖4-61 為動態量化器使用的偏壓電路輸出，所量測出的值為表 4-16 所示。

圖4-61 晶片量測動態量化器的偏壓輸出

表4-16 動態量化器的偏壓電路輸出 Measurement : Bias of Dynamic

Mean Meter

I. 晶片輸出頻譜表現

圖4-63 為具預先偵測 3 位元 37 位階動態量化器之三角積分調變器之輸出頻 譜表現。取樣點數為32768 點，系統頻寬為 25kHz，輸入訊號頻率為 7.6kHz，取 樣頻率為3MHz，輸入訊號振幅大小為-6dBFS，由上述量測規格可得到整體系統 輸出訊號雜訊失真比為72.51dB，而訊號雜訊比為 79.73dB。

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

Input Sinal (dB)

SNR, SNDR (dB)

Dynamic Range

圖4-64 為具預先偵測 3 位元 37 位階動態量化器之三角積分調變器之輸出動態範 表現，輸出訊號雜訊失真比的動態範圍為 83dB，而訊號雜訊比的動態範圍為 86dB。

K. 模擬與量測比較

使用Hspice 所模擬架構的輸出表現與量測進行比較，於表 4-17 所示。

表4-17 三角積分器性能總結輸出表

Technology 0.18 μm 1P6M CMOS Technology

Type Simulation Measurement Supply Voltage 1.8 V 1.8 V

Signal Bandwidth 25 kHz 25 kHz Clock Rate 3.2 MHz 3 MHz Oversampling Ratio 64 64

Peak SNDR 101.2 dB 72.51 dB Dynamic Range 102 dB 83 dB Power Dissipation 1.68 mW 1.82 mW

ENOB 16.52 bits 11.75 bits Figure of Merit 0.358 pJ/conv. 10.05 pJ/conv.

4.11 章節結論

在本篇論文中，提出一個具有振幅預先偵測的動態量化三角積分調變器。相 較於傳統量化器多餘的量化動作，本論文所提出的架構先由偵測器偵測輸入訊號 的偏移量，避免不必要的量化行為。由於信號振幅的預先偵測，可以用少量的比 較器，就可在信號振幅附近做細微的量化。在相同的信號量化階數之下，所使用 的比較器個數可以比傳統架構，減少至少一半以上的數量。

在動態元件匹配方面，由於提出架構的回授路徑減少一半以上，不僅可使動 態元件匹配電路架構的複雜度降低，另一方面也能使整體回授佈局走線變得更簡

易。佈局面積因回授路徑個數與回授取樣積分電容數降低而減少佈局面積。由於 使用的電路元件數減少所以大幅地降低電路功率的消耗。

在TSMC 0.18 μm 1P6M 標準 CMOS 製程下，使用的供應電壓為 1.8 V，系統 頻寬為25 kHz，取樣頻率為 3.2 MHz，所得到的訊號雜訊比為 101.2 dB，總消耗 功率為1.68 mW，整體佈局面積為 2.73．1.79 mm²。

第五章 應用於音頻之二階具雜訊移頻動態元件匹配之三角