高精度、低功耗流水線型模數(shù)轉換器的研究與設計.pdf

1、流水線型模數(shù)轉換器被廣泛地應用于圖像處理、通信基站、數(shù)字視頻和快速以太網(wǎng)等領域。而對于應用越來越廣泛的手持移動終端而言,低功耗對于產品電池的使用壽命起著至關重要的作用。同時隨著人們對音質、畫質等感官體驗的要求越來越高,以及更為細致的數(shù)據(jù)信息量要求,高精度也成了模數(shù)轉換器系統(tǒng)設計中一個極為重要的方面。通常實現(xiàn)低功耗的方法往往會產生各種誤差從而導致精度降低,同樣實現(xiàn)高精度又往往需要以增加功耗為代價,因此如何同時實現(xiàn)高精度和低功耗成為了研究的

2、熱點和難點。
　　論文主要研究了應用于數(shù)字視頻領域的流水線型模數(shù)轉換器的低功耗及高精度實現(xiàn)方法。從采用級間運放共享技術來降低功耗為切入點,首先分析了傳統(tǒng)運放共享結構中影響電路精度的因素。其次為了消除這些因素的影響,提出了新的電路結構和設計技術,從而達到了同時實現(xiàn)高精度和低功耗的目的。搭建了流水線模數(shù)轉換器Matlab模型,引入了各種非理想因素參與行為級仿真,建立了系統(tǒng)級的設計框架。最后完成了整個流水線模數(shù)轉換器的電路設計、版圖布局

3、和芯片測試等全部流程。
　　主要研究成果和工作有以下幾個方面:
　　1)從降低運放功耗入手,選擇功耗最低的單級套筒式運放,同時采用級間運放共享和逐級縮減等技術,實現(xiàn)低功耗設計。
　　2)詳細分析了傳統(tǒng)級間運放共享結構中存在的記憶效應、級間信號串擾以及共享開關引入的電荷注入和時鐘饋通等各種影響電路精度的因素。為了消除這些因素的影響,提出了一種新的雙輸入開關內置運放共享結構的MDAC電路。
　　3)提出采用兩組輸入差

4、分對管的結構,共享運放的兩流水級各使用一組,每組差分對管在保持時段交替參與運放工作,而在采樣時段則交替的連接到共模輸入電壓進行復位,從而完全消除記憶效應,并且不需要額外的復位時間。
　　4)提出將運放共享開關嵌入在運放內部,有效消除了級間信號串擾通路;因此,開關產生的電荷注入和時鐘饋通效應也不會對信號建立精度造成影響;同時消除了傳統(tǒng)結構中采用外置開關所引入的寄生電阻對運放失調的影響。內置的共享開關僅消耗約30mV的電壓裕度,不會影

5、響運放的輸出擺幅。
　　5)提出采用雙相交疊時鐘來控制運放共享開關,解決了采用傳統(tǒng)非交疊時鐘導致的大信號建立惡化的問題。通過采用與被偏置電路一致的結構,改進了寬擺幅運放偏置電路,與系統(tǒng)中各運放都能獲得更好的匹配。
　　6)從傳遞函數(shù)的角度建立了流水線型模數(shù)轉換器的Matlab系統(tǒng)級模型,并引入了諸如電容失配、噪聲、運放單位增益帶寬、運放壓擺率、時鐘抖動以及比較器失調等非理想因素影響,從而指導電路設計。模型仿真結果與流片結果契

6、合。
　　7)在SMIC0.18-μm、1.8V電源電壓、單層多晶硅六層金屬的標準CMOS工藝下完成了一款10 bit80 MSps的流水線型模數(shù)轉換器的電路設計、版圖布局、仿真驗證以及芯片測試等工作。
　　采用這種新型雙輸入開關內置運放共享的MDAC結構可以在不增加額外時鐘、功耗、面積的條件下,消除多種制約MDAC精度的誤差來源,從而有效提高系統(tǒng)精度。
　　此外,基于雙輸入開關內置運放的良好隔離特性,對電路進行進一步

7、的優(yōu)化和改進,令采樣保持電路與第一級MDAC共享運放,從而完全避免運放功耗的額外消耗,繼續(xù)顯著降低系統(tǒng)功耗。
　　流片測試結果顯示,本論文設計的10-bit80 MSps模數(shù)轉換器有效位(ENOB)可以達到9.69 bit,無雜散動態(tài)范圍(SFDR)可以達到76 dB,并且在整個奈奎斯特帶寬內都保持著9.62bit以上的ENOB。當輸入信號超過奈奎斯特頻率,甚至接近采樣頻率時,ENOB仍可以達到超過9.47 bit的精度。此外,當