SHA-less型流水線ADC的誤差分析及校準(zhǔn)技術(shù)研究.pdf

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是模擬信號和數(shù)字信號處理系統(tǒng)的紐帶，隨著無線通訊快速發(fā)展，對ADC的要求也越來越高，人們希望在提升ADC的速度和精度的同時，盡可能的降低功耗。流水線ADC由于其流水的工作模式和特有的冗余位校正算法，在高速高精度的場合有廣泛應(yīng)用，但流水線ADC較大的功耗成為其很嚴(yán)重的缺陷。無前端采樣保持電路（SHA-less）的流水線ADC可以節(jié)省大量的功耗，但也引入了一個嚴(yán)重的問題：ADC的第一級量化器要完成采樣保持的功能，由MDA

2、C和Sub-ADC同時采樣動態(tài)的輸入信號，由于這兩個采樣通道之間不可避免的存在失配，再加上時鐘信號自身的影響，就導(dǎo)致了采樣失配誤差。這個誤差是SHA-less型流水線ADC必須解決的問題，尤其是對于中頻（IF）采樣應(yīng)用，因為它嚴(yán)重惡化了ADC的高頻性能。本文所做的研究就致力于對這種流水線結(jié)構(gòu)進行誤差分析和針對采樣失配誤差進行校正。
　　論文分析了SHA-less型流水線ADC各種誤差源，包括噪聲，采樣保持電路誤差，運放誤差，Sub

3、-ADC的誤差以及電容失配導(dǎo)致的誤差，以及SHA-less型流水線ADC特有的采樣失配誤差。論文結(jié)合一種基于tsmc65nm實現(xiàn)的，12位SHA-less型高速流水線ADC，從三個方面分析了高速高精度的SHA-less流水線ADC主要的誤差源。分析了比較器的失調(diào)電壓，介紹了失調(diào)消除技術(shù)，最終確定了本設(shè)計所采用的三級預(yù)防大加鎖存器的低失調(diào)比較器結(jié)構(gòu)，其中融合了輸入輸出失調(diào)消除技術(shù)。然后對電路的電容失配和熱噪聲進行了詳細(xì)的分析，并分別根據(jù)電

4、路線性度和量化噪聲的約束，得到電路各電容的限制條件，并最終確定了電容的大小。最后著重分析了SHA-less流水線ADC中固有的Sub-ADC和MDAC之間的采樣失配誤差，采樣時刻偏差和采樣網(wǎng)絡(luò)帶寬失配是產(chǎn)生采樣失配誤差的原因，本文定量分析了這兩種誤差的影響，得出結(jié)論；采樣網(wǎng)絡(luò)帶寬失配在高頻時可以等效為一定大小采樣時刻偏差，而采樣時刻偏差導(dǎo)致的采樣誤差與輸入信號頻率成正比。對未經(jīng)過校準(zhǔn)的12位250M流水線ADC進行仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正弦輸入信

5、號頻率從11MHz增加到261MHz時，其SNDR從73.6dB下降到56.3dB，SFDR從88.7dB下降到56.5dB。仿真結(jié)果與分析結(jié)論一致，采樣失配誤差嚴(yán)重惡化了ADC的高頻性能。
　　本文采用一種數(shù)字后臺校準(zhǔn)算法來解決這一問題。本文采用的采樣失配誤差校準(zhǔn)模塊包含三個電路單元，分別是：溢出檢測單元、數(shù)字控制單元、可變延時單元。溢出檢測單元檢測第一流水線級的輸出結(jié)果，將比較結(jié)果輸入數(shù)字控制單元，數(shù)字控制單元產(chǎn)生延時調(diào)節(jié)控制

6、碼，產(chǎn)生的控制碼作為可變延時單元的輸入用來調(diào)節(jié)子ADC的采樣信號延時，通過多次迭代，使得子ADC的采樣時刻和MDAC采樣時刻對齊，整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器可獲得良好的高頻性能。仿真結(jié)果顯示，數(shù)字校準(zhǔn)算法有效抑制了輸入高頻信號時嚴(yán)重的奇次諧波，改善了ADC的高頻性能，使輸入信號頻率261MHz時，電路的SNDR提高到68.7dB，SFDR提高到77dB。在4倍內(nèi)奎斯特頻率（600M）處，依然能夠保持60dB以上的SNDR，以及74dB的SFDR。經(jīng)