应用于多模接收机中可重构模数转换器的设计

摘要

组合定位导航技术结合了卫星导航和移动通信技术来实现高精度的定位导航服务。不同的通信模式需要有不同的硬件电路进行支持，而一套可以支持多种通信模式可重构接收机在功耗和成本方面有着突出的优势。
　　 本论文设计了应用于多模构接收机中的可重构模数转换器，分析了其中关键模块电路的原理及非理想因素对其性能的影响，并给出了相关的解决方法。完成了可重构模数转换器的系统结构设计，基于卫星导航(GPS/Galileo)和第三代无线通信(WCDMA)两种分辨率模式，分别为4位和6位，采用逐级递减技术来优化整体电路功耗，系统主要由采样保持电路、4级1.5位/级模块电路和1级2位全并行模数转换器构成。同时，完成了各个功能模块电路的设计工作，采样保持电路选用电容翻转式结构来实现更低功耗和噪声，并设计了增益增强折叠共源共栅运算放大器和套筒式运算放大器分别用来满足不同电路模块性能需求。引入开关电容结构的动态比较器来减小整体电路功耗，蒙特卡洛仿真结果表明其失调满足流水线结构模数转换器中数字纠正技术所容许的误差范围，整体电路在双相非交叠时钟控制下进行工作。
　　 本设计基于TSMC0.18μm1P6M CMOS工艺，采样率为60 MS/s，实现4/6位分辨率可重构，完成了整体电路的版图设计。后仿真结果表明，输入1 Vpp正弦信号，信号频率约为29 MHz时（接近奈奎斯特频率），4位模式下，输出信号的SNDR为25.2 dB，SFDR为33.4 dB，对应的ENOB为3.89位，功耗为11.3mW;6位模式下，输出信号的SNDR为36.2dB，SFDR是43 dB，对应的ENOB为5.72位，功耗为15.3 mW，后仿真结果达到系统性能指标要求。
　　 设计完成的采样保持电路进行了流片和测试，基于双核测试方法，得到了测试结果并对其中存在的问题进行了分析，相应地提出了电路设计和测试中可能的改进方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作和设计指标

1．4 论文的结构组织

第2章 模数转换器基本理论

2．1 模数转换器原理

2．2 模数转换器的性能参数

2．2．1 模数转换器基本性能指标

2．2．2 静态性能参数

2．2．3 动态性能参数

2．3 常见模数转换器结构

2．3．1 全并行(Flash)模数转换器

2．3．2 折叠内插(Folding and Interpolating)模数转换器

2．3．3 逐次逼近型(Successive Approximation Register)模数转换器

2．3．4 过采样(Oversampling)模数转换器

2．3．5 流水线(Pipeline)模数转换器

2．4 流水线模数转换器中的数字纠正技术分析

第3章 流水线模数转换器核心模块分析

3．1 采样保持电路分析

3．1．1 采样保持电路中的非理想因素

3．1．2 采样保持电路的改进技术

3．1．3 闭环采样保持电路结构及分析

3．2 1．5位／级模块分析

3．2．1 1．5位／级模块的基本原理

3．2．2 增益数模单元非理想因素分析

3．2 运算放大器非理想因素分析

3．2．1 运算放大器建立误差分析

3．2．2 运算放大器中的噪声

3．2．3 运算放大器中的失调

3．4 比较器电路分析

第4章 可重构模数转换器的设计与前仿真

4．1 可重构模数转换器结构的设计

4．1．1 可重构模数转换器整体结构的考虑

4．1．1 可重构模数转换器中分辨率可重构的实现

4．1．2 可重构模数转换器中逐级递减的设计

4．2 采样保持电路的设计

4．2．1 采样电容值的选取

4．2．2 栅压自举开关的设计

4．2．3 CMOS开关的设计

4．2．4 运算放大器的设计

4．2．5 采样保持电路的仿真

4．3 1．5位／级模块电路的设计

4．3．1 采样电容值的选取

4．3．2 运算放大器的设计

4．3．3 1．5位／级模块电路建立特性的仿真

4．3．4 子模数转换器和子数模转换器的设计

4．3．5 1．5位／级模块电路整体仿真

4．4 全并行模数转换器的设计

4．5 偏置电路的设计

4．6 时钟产生电路的设计

4．7 数据对齐和数字纠正电路的设计

4．7．1 数据对齐电路的设计

4．7．2 数字纠正电路的设计

4．8 可重构流水线模数转换器整体仿真

4．8．1 6位分辨率模式仿真结果

4．8．2 4位分辨率模式仿真结果

4．8．3 仿真结果小结

第5章 版图设计和后仿真

5．1 版图布局

5．1．1 系统整体布局

5．1．2 采样保持电路和1．5位／级模块电路布局

5．2 版图设计技术

5．2．1 抗干扰设计

5．2．2 匹配性设计

5．2．3 可靠性设计

5．2．4 寄生效应的优化

5．3 可重构流水线模数转换器版图设计

5．4 可重构流水线模数转换器的后仿真

5．4．1 采样保持电路的后仿真

5．4．2 整体电路的后仿真

5．4．2 整体电路的后仿真结果

第6章 采样保持电路芯片测试

6．1 采样保持电路芯片测试方案

6．2 采样保持电路芯片测试结果及分析

6．2．1 采样保持电路芯片测试结果

6．2．1 采样保持电路芯片测试结果分析

6．2 小结

第7章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文