基于VCO的数字化时域模数转换器研究

摘要

CMOS工艺的不断发展使得晶体管的速度不断增加、单位集成密集度越来越高、逻辑延迟持续减小、时间分辨率不断提高,因此在设计模数转换器时可将传统的电压域信号转换为时域信号,并对时域信号进行采样量化得到数字信号.而压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)由于其固有的从控制电压到输出频率的线性关系及电压到相位的积分关系,能够很好的完成信号从电压域到时域的转换.因此基于VCO的模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)成为了一大研究热点. 传统Sigma-Delta环路中的量化器工作在电压域,利用比较器得到多级量化,但随着系统量化位数及速度的不断提高,比较器输出端产生亚稳态的概率不断提高,因此对比较器的设计有了更高的要求.而VCO由于结构较为简单,基于VCO的连续型Sigma-Delta调制器具有一阶噪声整形的特性,且由于其固有的抗混叠特性,避免了复杂的抗混叠滤波器及采样保持电路的设计,降低了系统的复杂度,节约了电路的面积和功耗. 本文主要设计了两种基于VCO的Sigma-Delta ADC.其中,基于VCO的频率域ADC主要利用VCO的输入控制电压与输出频率间的线性关系,用格雷码计数器对一定采样周期内的VCO输出波形周期计数来得到多位量化器.为增加量化器的分辨率,本设计采用了对VCO输出波形的上升下降沿同时计数的方法,并使两个子ADC工作在差分模式下来减小VCO非线性对电路的影响并抑制偶阶失真.该基于VCO的数字化ADC在SMIC180nm COMS工艺下面积为1.05mm2,采样频率为250MHz时,在10MHz带宽下,有效位数为7.67位. 基于VCO的相位域ADC主要通过检测两个差分工作的VCO间的相位差来量化模拟输入,并将此量化器置于一阶Sigma-Delta环路中,保证了VCO工作的线性度.由于电流域中差分VCO的工作原理,该ADC具有固有的动态元件匹配特性.此外,由于基于XOR的相位检测器的线性范围为0~π,因此本文提出了一种通过检测差分VCO间相位超前落后信息来扩展量化器分辨率的全数字量化器结构,将其线性检测范围扩展至-π~π.在此改进型的全数字量化器的基础上,设计了一种具有注入和流出两个方向电流的电流舵DAC.整体电路数字化程度较高,在SMIC180nm COMS的工艺下面积为1.88mm2,在300MHz的采样频率、1MHz的带宽下,有效位数为8.82位.

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