用于时间交织ADC的高速高精度参考电压缓冲器电路设计

摘要

在模拟电路设计中常需要稳定的参考电压，参考电压模块广泛应用于数模混合电路中。随着半导体工艺的提升，数字电路速度越来越快，在高速的数模转换系统中，不仅要求参考电压具有高精度，同时需要高速的瞬态响应能力。传统参考电压电路采用闭环的线性稳压器结构，利用环路带宽和稳压电容保证输出电压的稳定，但是随着信号采样速率的加快，传统的环路带宽难以满足响应速度要求，同时封装寄生电感等因素对响应速度的影响也愈加严重。本文基于高精度基准电压和高速模数转换器的理论分析，设计了一款用于高速时间交织ADC的高速高精度参考电压缓冲器电路，将前级高精度基准源和后级开环的buffer输出级结构相结合，在4GS/s采样速率下的实现了一种性能优秀的高速高精度参考电压缓冲器电路。 首先，分析了带隙基准源的工作原理，提出对带隙基准的指标要求，并设计出一种带有温度补偿的带隙基准电路，能够在-40℃到125℃温度变化范围内具有较低的温度系数，为参考电压缓冲器电路提供高精度的基准输入电压和基准输入电流。 其次，由于本次研究设计的参考电压缓冲器为高速TIADC提供参考电平，其对负载响应的过程比较复杂。本论文对参考电压缓冲器在负载通道ADC在每次量化开关切换过程进行了仔细分析，根据分析结果提出了一种较为明晰的设计方法。本文结合实际应用情况，采用了一种新型的缓冲器输出结构，相比较于传统的一些结构，较好的兼顾了功耗、速度和精度。整体的参考电压缓冲器采用主从式结构，建模仿真得到由各支路参考电压的偏差带来的增益失配会对多通道交织性能的影响程度，通过合理设计输出级管子尺寸，同时仿真得到最优化的通道间滤除回踢噪声的CRC网络来降低参考电压缓冲器对整体TIADC性能的影响。 最后，利用Cadence设计平台、Spice仿真工具以及Laker版图设计工具等，在40nm CMOS工艺下，完成电路的后仿真。仿真结果表明，前级带隙基准源的低频PSRR为80dB，温度系数为18ppm/℃，输出噪声为115.36μV。在输入信号频率为1.5GHz，采样频率为4GHz时，整体参考电压缓冲器电路带上负载多通道时间交织ADC仿真得到其SFDR为82.36dB，SNDR为71.86dB，有效位数ENOB为11.64位。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内研究现状以及发展趋势

1.3 本文的主要工作和创新

1.4 本文的结构安排

第二章 基准电压源与缓冲器基本原理

2.1.1 基本原理

2.1.2 主要性能指标

2.2.1 基本原理

2.2.2 主要性能指标

2.3 本章小结

第三章 高速高精度参考电压缓冲器电路研究与设计

3.1 高精度基准电压源设计

3.1.1 带隙基准核心电路设计

3.1.2 负温度系数电流产生电路设计

3.1.3 自偏置和启动电路设计

3.1.4 参考电压产生电路设计

3.2 高速参考电压缓冲器研究与设计

3.2.1 频率补偿分析与设计

3.2.2 低噪声分析与设计

3.2.3 快速瞬态响应分析与设计

3.2.4 交叉耦合滤波网络设计

3.3 本章小结

第四章 版图设计与仿真结果分析

4.1 参考电压缓冲器电路版图设计

4.1.1 带隙基准电路版图设计

4.1.2 参考电压缓冲器电路版图设计

4.2 参考电压缓冲器仿真结果与分析

4.2.1 高精度带隙基准源仿真与分析

4.2.2 高速参考电压缓冲器仿真结果与分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后续展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果