一种可配置的采样保持电路设计与研究

摘要

随着无线通信技术和计算机网络的发展,各种无线通信协议标准已经广泛应用到便携式通讯电子产品中。多标准接收机对模数转换器(ADC)的性能提出了新的要求,希望ADC以可配置的方式适应不同的采样频率和精度,并且能减少面积和功耗。 采样保持电路作为ADC的关键部分,它在很大程度上决定了整个ADC的最高性能。本文围绕可配置的采样保持电路的实现主要进行了以下几个方面的研究：比较了电荷再分配式和电容翻转式2种常见的采样保持电路结构的性能；研究了MOS管开关、热噪声等非理想因素对采样保持电路的影响；探讨了采样保持电路可配置的实现方式；建立了基于运放偏置电流与反型系数的建立时间数学模型；分析了增益提高运放的频率特性以及零极偶对子对建立时间的影响。 基于上述理论分析研究,在CSMC CMOS 0.5μm工艺、3.3V电源电压条件下。以改变偏置电流的方式设计了一个可配置的采样保持电路。其中运放采用套筒式增益提高结构。仿真结果表明,在参考电流变化30倍范围内,运放的直流增益在全输出范围下均高于90dB,单位增益带宽范围为18MHz～293MHz,相位裕度范围为72°～81°。在采样精度与频率分别为10位4MHz、8位10MHz、12位50MHz的条件下,采样保持电路的功耗分别为0.766mW、1.79mW、17.3mW，无杂波动态范围(SFDR)分别为72.1 dB、52.6dB、91.8dB。 仿真结果验证了基于电流可配置的采样保持电路建立时间模型的正确性。所设计的采样保持电路具有宽动态范围,低功耗的特点,它能应用在满足GPS,WCDMA,WLAN 802.11a/g多协议标准的流水线结构ADC中。

目录

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声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外研究状况

1.3本文的研究目标和主要内容

1.4论文组织

第二章采样保持电路基础理论

2.1采样保持电路在流水线ADC中的作用

2.1.1流水线ADC的结构

2.1.2采样保持电路的作用

2.2采样保持电路的结构

2.2.1采样保持电路的基本结构

2.2.2开关电容采样保持电路结构

2.3 MOS管开关对采样精度的影响

2.3.1时钟馈通效应

2.3.2电荷注入效应

2.3.3MOS管采样开关的导通电阻

2.4热噪声对采样电容的限制

2.4.1KT/C噪声

2.4.2跨导放大器的热噪声

2.4.3采样电容的选择

第三章可配置采样保持电路系统建模

3.1可配置原理与结构

3.2采样保持电路的建立时间

3.2.1运放有限增益对建立精度的限制

3.2.2运放有限带宽对建立时间的影响

3.2.3运放的摆率对建立时间的影响

3.3 MOS管跨导统一模型与反型系数

3.3.1MOS管跨导

3.3.2MOS管中度反型模型

3.3.3MOS管反型系数

3.4基于偏置电流的建立时间模型

第四章运算放大器

4.1套筒式共源共栅运放

4.2折叠式共源共栅运放

4.3增益提高运算放大器

4.3.1频率特性

4.3.2零极偶对子

4.3.3局部环路稳定性

4.4共模反馈电路

4.4.1共模反馈电路增益和带宽

4.4.1共模反馈电路的结构

第五章 电路设计及仿真

5.1运算放大器

5.1.1主运算放大器

5.1.2辅助运算放大器

5.1.2增益提高型运算放大器

5.2共模反馈电路

5.2.1主运放共模反馈电路

5.2.2辅助运放共模反馈电路

5.3偏置电路

5.3.1运放偏置电路

5.3.2可变偏置电流产生电路

5.4时钟产生电路

5.5栅压自举开关

第六章仿真验证及结果分析

6.1采样保持电路的静态特性

6.2采样保持电路的动态特性

6.2.14MHz采样频率下的仿真结果

6.2.210MHz采样频率下的仿真结果

6.2.350MHz采样频率下的仿真结果

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢