10位20兆采样频率高性能流水线结构模数转换器设计

摘要

微电子技术与信息技术的发展不断推动着电路系统的数字化进程。数字电路在工艺、性能方面的优势使其应用越来越广泛，几乎可以替代许多传统的模拟电路。由于自然界中出现的信号和人类能感知的信号都属于模拟量，数字电路必须经由数模转换系统才能建立与自然界的联系。在混合系统中，模数转换器是对物理信号进行数字化处理的入口部件，它的性能直接关系到整个信号处理系统的品质。数码影音等消费类电子产品的普及对高性能低功耗的模数转换器(ADC)提出了新的要求。本文在对目前流行的各种ADC进行分析比较的基础上，重点设计并研究了一种高速高精度低功耗的流水线结构ADC。 本文在介绍了流水线ADC基本原理与结构后，分析了流水线ADC系统设计中存在的非理想因素与各种误差源，然后在考虑各种约束条件后，提出了系统的具体设计方案，主要采用开关电容电路设计了输入采样/保持模块(SHA)、子模数转换器(SubADC)和倍增数模转换器(MDAC)电路，利用冗余位设计和数字校正技术减少了失调误差。为了提高流水线ADC的整体性能并降低功耗，提出了改进的流水线A/D转换器体系结构，它采用两级子模块共享一个改进的运算跨导放大器(OTA)，最后详细分析设计了一个高性能、低功耗跨导运算放大器和动态比较器模块。 本文最终完成了一个每级为1.5位结构、10位、20兆赫兹采样频率高性能低功耗的流水线ADC关键模块电路的设计。整个电路设计基于0.6μm CMOS工艺，5V电源供电，利用Hspice对OTA和比较器模块电路进行了仿真，所设计的OTA开环增益为78dB，单位增益带宽可达300MHz，直流功耗约为16 mW。结果显示，所设计的ADC关键模块电路的性能，完全满足流水线结构ADC的高速低功耗设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的研究目的与意义

1.2 A/D转换器的现状与发展趋势

1.3本文研究的主要内容及论文章节安排

第二章ADC的基本原理与结构

2.1 ADC的基本工作原理

2.2 ADC的性能指标

2.2.1静态性能指标

2.2.2动态性能指标

2.3 ADC的种类与特点

2.3.1全并行结构

2.3.2两步快闪式结构

2.3.3分步式结构

2.3.4折叠插值结构

2.3.5 Σ-△结构

2.4流水线ADC的结构和工作原理

2.4.1流水线的构成和工作原理

2.4.2采样/保持(SHA)模块

2.4.3子模数转换(Sub ADC)模块

2.4.4倍增数模转换(MDAC)模块

第三章流水线模数转换器的系统分析与设计

3.1流水线ADC非理想特性和误差来源

3.1.1热噪声

3.1.2子ADC误差

3.1.3 MDAC误差

3.1.4 MOS开关误差

3.2流水线ADC的单级结构分析

3.2.1每级实现位数的确定

3.2.2流水线单级精度要求

3.3冗余位设计和数字修正技术

3.3.1数字修正技术原理

3.3.2 1.5位/级流水线结构

3.4 ADC具体电路实现

3.4.1电路体系结构

3.4.2采样/保持电路的设计

3.4.3余量增益电路的结构设计与改进

第四章模块电路的设计与仿真

4.1运算跨导放大器(OTA)的设计

4.1.1基本共源共栅型放大器的分析

4.1.2设计方案比较

4.1.3改进型折叠-共源共栅OTA电路结构

4.1.4仿真结果

4.2比较器的设计

4.2.1电路结构与分析

4.2.2仿真结果

4.3时钟产生电路

4.4数字校正电路

第五章结论与展望

5.1结论

5.2创新点小结

5.3展望

致谢

参考文献

附录 MOS模型参数

攻读硕士研究生期间发表的论文