寬帶高線性度流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高能效設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、高速、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)廣泛應(yīng)用于新一代無線通信系統(tǒng)、醫(yī)療影像系統(tǒng)，雷達(dá)通訊系統(tǒng)，以及高性能儀表等領(lǐng)域。新一代系統(tǒng)的發(fā)展不僅要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有高信噪比(SNR)、高無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)以及欠采樣能力(Sub-Sampling Capability)，同時(shí)也要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器兼具低功耗、小面積的特征，從而實(shí)現(xiàn)高能效、低成本的系統(tǒng)應(yīng)用。
　　在眾多類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器被證明可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速、高精度、低功耗

2、以及大模擬輸入帶寬。在各種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)中，運(yùn)算放大器共享(Opamp-Sharing)、電容共享（Capacitor-Sharing）以及采樣/保持消去(SHA-Less)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高能效流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器共享技術(shù)以及電容共享技術(shù)受限于記憶效應(yīng)(Memory Effect)，級(jí)間串?dāng)_(Crosstalk)和額外的時(shí)鐘清零相位(Additional Discharge Phase)，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換

3、精度和轉(zhuǎn)換速率受到了限制。采樣/保持消去技術(shù)由于在余量增益電路(MDAC)信號(hào)通路以及子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Sub-ADC)信號(hào)通路之間存在RC延時(shí)不匹配(RC-Delay Mismatch)，引入了孔徑誤差(Aperture Error)，進(jìn)而限制了模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠處理的最大輸入信號(hào)的頻率。
　　為解決以上的問題，本論文提出一種運(yùn)算放大器分裂—共享(OpampSplit-Sharing)的整合型前端設(shè)計(jì)方法。通過運(yùn)算放大器分裂—共享將輸入

4、信號(hào)的采樣/保持功能整合到第一級(jí)余量增益電路，在降低功耗的同時(shí)，消除了孔徑誤差，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠在很大的輸入頻率范圍內(nèi)保持高線性度。利用低導(dǎo)通阻抗、小寄生電容的模式開關(guān)實(shí)現(xiàn)的分裂式運(yùn)算放大器，很好地滿足了輸入信號(hào)保持相位以及余量信號(hào)放大相位對(duì)于運(yùn)算放大器不同的增益和帶寬要求。通過運(yùn)算放大器分裂—共享設(shè)計(jì)，在無需額外時(shí)鐘清零相位的情況下，消除了傳統(tǒng)運(yùn)放共享技術(shù)存在的記憶效應(yīng)以及信號(hào)串?dāng)_，提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。對(duì)于后端流水線級(jí)，通過在

5、兩個(gè)2.5位余量增益電路之間共享一個(gè)兩級(jí)折疊四輸入運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)了高能效的4.5位流水線級(jí)，進(jìn)一步降低了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體功耗。
　　基于上述研究，本論文采用0.18-μm1P6M CMOS集成電路工藝實(shí)現(xiàn)了一款14-bit100 MS/s流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片核心面積為6.34mm2。測(cè)試結(jié)果表明，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的微分非線性(DNL)為+0.8/-0.7LSB，積分非線性(INL)為+2.1/-2.2LSB。當(dāng)輸入15.5-MHz