应用于TD-LTE-Advanced终端的模数转换器的研究与设计

摘要

TD-LTE-Advanced(Time Division-Long Term Evolution-Advanced)是中国具有自主知识产权的第四代运动无线通讯技术。它吸纳了TD-SCDMA的主要技术元素，体现了我国通信产业界在宽带无线移动通讯领域的最新自主创新成果。TD-LTE-Advanced技术的提出，保证了中国在4G无线通讯领域具有核心竞争力，维护了我国在日益激烈的国际竞争中的国家安全，具有非常重要的战略意义和经济价值。
　　本文针对TD-LTE-Advanced技术设计了一款高速高精度低功耗的模数转换器，完成了从系统架构分析、系统建模仿真、电路模块仿真、系统整体电路仿真、版图及提取寄生参数后仿真和硬件实现以及测试验证的整个流程。
　　该模数转换器采用逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Register,SARADC)结构，在保证所需的转换速度的同时，能够有效的减小芯片面积，降低功耗，从而节省芯片的成本。该SAR ADC采用了顶级板采样技术，从而省掉了DAC的最高位电容，将采样电容缩小到只需要传统结构的1/2;优化了DAC的桥接电容结构，低位(Least Significant Bits，LSBs)为4 bits，高位(Most SignificantBits，MSBs)为7位，有效的减小了LSBs寄生电容对DAC线性度的影响;系统分析了桥接电容结构对DAC线性的影响的分析，并推导了相关公式，提出了一种有效解决LSBs寄生电容影响线性度的解决方法;基于时分复用技术和异步复位思想，提出了一种新颖的控制逻辑，只需要传统结构一半的硬件电路便能实现相同的功能，极大的降低了系统功耗;提出了一种全新的比较器失调电压校正技术，取代传统所采用的预放大电路，来降低比较器的失调电压，有效的解决了比较器低功耗和高精度之间的矛盾。
　　该模数转换器芯片采用SMIC65 nm，1.2 V，1P8M（单层多晶，8层金属）CMOS混合信号工艺实现，有效面积为0.3×0.2 mm2，功耗为2.4 mW。版图后仿真结果表明，在50 MHz采样率时的最高信噪比(SINDR)为71.5 dB，无杂散动态范围(SFDR)为84.5 dB，FoM为15.2 fJ/conversion。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 系统要求与价值

1．3 论文的研究目标与组织结构

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要工作

1．3．3 创新点

1．3．4 论文组织结构

第二章 逐次逼近型模数转换器概述

2．1 模数转换器参数定义

2．1．1 基本参数

2．1．2 静态参数

2．1．3 动态参数

2．1．4 综合参数

2．2 逐次逼近型模数转换器的原理和结构

2．2．1 基本原理

2．2．2 基本结构

2．3 逐次逼近型模数转换器的优势与局限

2．4 本章小结

第三章 系统建模与理论分析

3．1 系统行为建模

3．2 设计分析与非理相因素

3．2．1 电容阵列的失配

3．2．2 桥接电容低位寄生

3．2．3 比较器失调电压

3．2．4 采样保持电路分析

3．2．5 电路噪声分析

3．3 系统整体的架构

3．4 本章小结

第四章 电路分析设计与仿真

4．1 采样开关的设计

4．1．1 电路介绍及原理分析

4．1．2 仿真结果

4．2 电容阵列DAC

4．1．1 基于Vcm的顶极板采样技术

4．1．2 电容翻转功耗分析

4．1．3 4-bit Sub DAC

4．3 比较器

4．3．1 比较器失调分析

4．3．2 比较器失调校正

4．4 数字控制逻辑

4．4．1 基于异步复位和时分复用的控制逻辑

4．4．2 高频时钟的片内产生

4．4．3 高速触发器的设计

4．4．4 延时链

4．5 电容阵列驱动开关

4．6 系统整体仿真

4．6．1 系统的顶层模块和激励

4．6．2 系统仿真结果

4．7 本章小结

第五章 版图设计与版图后仿真

5．1 电容阵列的版图设计

5．2 比较器版图

5．3 数字控制逻辑的版图设计

5．5 总体布局

5．6 后仿结果

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

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