高能效流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、由于意識(shí)到能源消耗是氣候變化和全球變暖的重要因素之一，不斷減小能量消耗已經(jīng)成為電路與系統(tǒng)學(xué)會(huì)的共識(shí)。可以說(shuō)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)是所有虛擬電子系統(tǒng)中必不可少的組成模塊，因此，研究高能效ADC的重要性是顯而易見的。無(wú)線通信與消費(fèi)電子在過(guò)去十多年的發(fā)展歷史也已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。作為system-on-chip(SoC)或system-in-package(SiP)應(yīng)用系統(tǒng)中的一部分，高能效ADC的研究意義不僅體現(xiàn)在它自身消耗更少的功耗，而且

2、ADC能效的突破對(duì)智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分變得越來(lái)越重要。后者可能會(huì)使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更大幅度地降低功耗、降低制造成本、或者縮短研發(fā)周期。
　　 本論文針對(duì)高能效流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)面臨的種種問(wèn)題，從數(shù)字補(bǔ)償算法和模擬電路技術(shù)兩個(gè)方面入手，研究提高ADC能效的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 在數(shù)字補(bǔ)償算法方面，論文的研究重點(diǎn)是快速、魯棒的模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)。論文通過(guò)分析現(xiàn)有數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，提出了一種“時(shí)域拓展補(bǔ)償”方法，

3、將其與拓展后的“與信號(hào)相關(guān)的抖動(dòng)激勵(lì)疊加”方案有效結(jié)合，構(gòu)成一種新的前臺(tái)、后臺(tái)混合數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)，用以補(bǔ)償多位/級(jí)結(jié)構(gòu)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由運(yùn)放有限增益和電容失配引入的線性誤差。該補(bǔ)償技術(shù)在保留“基于相關(guān)檢測(cè)補(bǔ)償算法”良好魯棒性的同時(shí)，大幅度地縮短了補(bǔ)償因子估計(jì)所需的收斂時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速補(bǔ)償。
　　 在模擬電路技術(shù)方面，論文重點(diǎn)研究可以和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)充應(yīng)用、進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換器能效的運(yùn)放共享技術(shù)和多位/級(jí)MDAC的建立特性優(yōu)化技術(shù)或電

4、路結(jié)構(gòu)。針對(duì)現(xiàn)有各種運(yùn)放共享技術(shù)存在的問(wèn)題，論文提出了一種共模檢測(cè)與輸入輪換(CSII)的運(yùn)放共享技術(shù)；該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)前后相鄰兩級(jí)流水線級(jí)電路共享一個(gè)折疊級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，而且不增加額外的開關(guān)或旁路，可有效消除運(yùn)放共享時(shí)可能引入的記憶效應(yīng)或級(jí)間串?dāng)_等問(wèn)題。針對(duì)高精度轉(zhuǎn)換器中多位/級(jí)結(jié)構(gòu)MDAC存在的建立速度約束問(wèn)題，本論文提出了一種負(fù)載平衡的MDAC結(jié)構(gòu)，低功耗地實(shí)現(xiàn)多位/級(jí)MDAC的快速建立，消除不完全建立誤差。
　　 論

5、文采用0.13μm CM()S工藝完成了一個(gè)1.2V電源電壓、12位精度、采樣率5～45MS/s的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與流片驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)采用CSII運(yùn)放共享、無(wú)前端采樣保持放大器這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)數(shù)字化調(diào)節(jié)運(yùn)放、比較器、內(nèi)置參考電壓驅(qū)動(dòng)電路等基本單元的偏置電流來(lái)獲得良好的“功率與采樣率之比”。芯片的內(nèi)核面積為1.5mm2，測(cè)試結(jié)果表明：采樣率與功耗等比例變化時(shí)，測(cè)得的SNDR最小為62.5dB、最大為69.2dB，SFDR可達(dá)到80.7

6、dB，工作電源電壓典型值為1.2V，單次轉(zhuǎn)換消耗能量(FoM值)最小為0.26pJ/conversion、最大為0.5pJ/conversion。與近年來(lái)國(guó)際上發(fā)表的具有相近性能的可編程流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，該設(shè)計(jì)的FoM值具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)創(chuàng)新點(diǎn)的有效性。
　　 面向OFDM無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用，論文還設(shè)計(jì)了一個(gè)14位線性度、采樣率為50MS/s的數(shù)字補(bǔ)償流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的模擬電路部分采用0.13μm

7、1P8M CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)核面積為1.3mm2；數(shù)字補(bǔ)償?shù)男盘?hào)處理部分在MATLAB軟件中離線實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明：數(shù)字補(bǔ)償前，SNDR和SFDR分別為58.6dB和66.5dB；數(shù)字補(bǔ)償后，SNDR和SFDR分別提高至64.4dB、81.9dB。轉(zhuǎn)換器工作在1.2V電源電壓下，其內(nèi)核消耗功耗76mW。由于對(duì)OFDM無(wú)線通信系統(tǒng)這一特殊應(yīng)用而言，最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)是用SFDR表示的線性度而不是SNDR，因此按照13位有效線性度