VAD語音活動檢測的主要模塊電路設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1936VAD語音活動檢測的主要模塊電路設(shè)計案例 128101.1基本單元結(jié)構(gòu)設(shè)計 1245881.2帶通濾波器的設(shè)計 1208211.3平方器的電路設(shè)計 3165601.4低通濾波器的電路設(shè)計 51.1基本單元結(jié)構(gòu)設(shè)計在模擬電路中常常會用到跨導(dǎo)單元和開關(guān)電容結(jié)構(gòu)?？鐚?dǎo)單元又稱單元，是一種把電壓轉(zhuǎn)化為電流的結(jié)構(gòu)。一個單元可以看做一個電阻，其阻值可以根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的改變來改變。單元由若干個MOS管組成。一般用一個封裝好的電路模塊表示，結(jié)構(gòu)圖如下：圖4-1單元結(jié)構(gòu)相比于單元內(nèi)部需要集成許多MOS管的，開關(guān)電容（SwitchCapacitor,SC）結(jié)構(gòu)簡單，同時可以利用數(shù)字信號控制。圖4-2開關(guān)電容結(jié)構(gòu)假設(shè)輸入電壓為，輸出電壓為，開關(guān)和在一個時鐘周期內(nèi)依次閉合，那么平均電流為：（4-1）等效電阻為：（4-2）1.2帶通濾波器的設(shè)計由于結(jié)構(gòu)允許非常低的功率操作，并且頻率可調(diào)諧，這種結(jié)構(gòu)在聲學(xué)濾波器組中應(yīng)用十分廣泛。相對于開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)雖然線性輸出擺動幅度低，但是功耗也低[16]。圖4-3帶通濾波器結(jié)構(gòu)其中，上標(biāo)和分別表示來自反饋和前向路徑的貢獻。通過改變反饋和前向路徑中并行的單元數(shù)可以調(diào)節(jié)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)。該帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：（4-3）該單元的內(nèi)部采用了一種開關(guān)電容的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得輸出可以有一個較寬的線性擺動。圖4-4單元具體結(jié)構(gòu)當(dāng)控制開關(guān)的時鐘頻率為時，其有效跨導(dǎo)為：（4-4）此時，傳遞函數(shù)可以近似為：（4-5）中心頻率為：（4-6）品質(zhì)因數(shù)為：（4-7）通過調(diào)整輸入輸出的電容大小以及相應(yīng)的單元對數(shù)可以調(diào)整不同的頻帶。借助Cadence工具得到的16個通道的帶通濾波器的仿真結(jié)果如圖4-5所示：圖4-5帶通濾波器仿真結(jié)果1.3平方器的電路設(shè)計平方器電路一個混合信號電路、一個反相電壓放大器、一個差分放大器、一個電流鏡和一個分壓器組成?；旌闲盘栯娐酚蓤D4-5中的晶體管和組成。把輸入電壓和輸入電流混合并轉(zhuǎn)換成輸出電壓。在節(jié)點應(yīng)用基爾霍夫電流定律有：（4-8）假設(shè)晶體管工作在飽和區(qū)，在忽略遷移率下降以及通道長度調(diào)制效應(yīng)等二階效應(yīng)時，晶體管的漏電流可以表示為：（4-9）其中和分別是NMOS和PMOS的跨導(dǎo)參數(shù)。和分別是NMOS和PMOS的閾值電壓。和分別是柵源電壓和漏源電壓。把上式帶入4-9式帶入4-8式可以得到：（4-10）反相電壓放大器由晶體管和組成，且的漏電流等于的漏電流。結(jié)合2式和5式可以得到：（4-11）差分放大器由完全匹配的和組成，其漏電流之和可以表示為：（4-12）分壓器電路由完全匹配的晶體管和組成，用來產(chǎn)生電壓。和的漏電流可以表示為：（4-13）假設(shè)由和構(gòu)成的電流鏡的比例為1:1，那么平方電路的輸出電流可以表示為：（4-14）若，輸出電流可以用輸入電流的平方表示：（4-15）若，輸出電流可以用輸入電壓的平方表示：（4-16）輸入電壓的范圍由和的飽和條件決定：（4-17）圖4-6平方器結(jié)構(gòu)圖平方器仿真結(jié)果如下如所示：圖4-7平方器結(jié)構(gòu)圖1.4低通濾波器的電路設(shè)計在基于的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，截止頻率通常由決定,是當(dāng)前集成的電容。一個簡單的一階低通濾波器如下圖所示：圖4-8一階低通濾波器在上述結(jié)構(gòu)中，一個標(biāo)準(zhǔn)的跨導(dǎo)被放置在一個反饋回路中，并與一個電容構(gòu)成一階低通濾波器。在跨導(dǎo)和輸出的電容之間有一個開關(guān)，跨導(dǎo)的輸出電流僅當(dāng)開關(guān)閉合時才流入電容，假設(shè)是開關(guān)的占空比，那么（4-18）當(dāng)晶體管的有效輸出電流減小時，晶體管的有效跨導(dǎo)也會隨之減小。由此就實現(xiàn)了通過數(shù)字信號控制跨導(dǎo)，從而控制濾波器的截止頻率。實際上，圖4-8的結(jié)構(gòu)并不遵循基爾霍夫電流定律：當(dāng)開關(guān)打開時，跨導(dǎo)的輸出電流無處流動，這將造成跨導(dǎo)的輸出在供電軌（或附近）飽和。為了克服這個問題，引入兩個緩沖單元，如下圖所示：圖4-9帶有緩沖單元的低通濾波器其中，第一個緩沖裝置放在電容器和輸出反饋節(jié)點之間，以將電容和負(fù)載隔離。第二個緩沖置于濾波器的跨導(dǎo)和電容之間，中間用與主開關(guān)反向的開關(guān)相連。當(dāng)開關(guān)斷開時，第二個緩沖器為輸出電流提供了一個路徑。此時的輸出電壓和電容電壓相同，并且的電流也不會流向電容。因此，無論電流是否從流入電容，輸出電壓幾乎都保持不變，防止了跨導(dǎo)的輸出在每次開關(guān)變動時供電軌電壓與電容電壓之間的變化。這種布局也減少了開關(guān)注入電荷的影響。當(dāng)閉合與斷開的過程中，電荷主要注入電容，因為這提供了一個最低阻抗。對于低頻操作，一般比較大，從而使得產(chǎn)生的電壓的尖峰變小。當(dāng)閉合與斷開的過程中，電荷主要被注入到負(fù)反饋連接的緩沖器中。負(fù)載電容由緩沖的輸出電容和負(fù)反饋輸入的輸入電容組成，增加了總電容。此外，兩個開關(guān)都可以工作在比濾波器帶寬高很多頻率下