应用于高清数字视频的低功耗流水线ADC的设计

摘要

现代电子系统的运算处理部分几乎全部实现了数字化，而在自然界中，信号基本上是以模拟的形式存在的，因而需要一个中间介质把模拟信号转化成数字信号，这个介质就是模数转换器（ADC）。ADC作为数字与模拟的桥梁得到广泛应用，特别是在数字信号处理、雷达信号分析、医疗影像设备、多媒体设备等领域。本论文是以高清数字视频显示为应用背景。高速高精度低功耗是ADC先进技术的体现和未来的发展趋势。高速高精度低功耗 ADC芯片设计采用的结构比较典型的有全并行结构（flash）、流水线结构（pipeline）、逐次逼近结构（SAR）、delta-sigma型。由于pipeline ADC具有在精度、速度、面积以及功耗上折中的特点，能够很好地应用于数字通信系统、高清视频显示系统等领域。随着CMOS工艺的晶体管的特征尺寸不断缩短，晶体管的精度速度功耗等性能指标不断提高，基于传统的设计方法和结构已不能满足需求。因此，数字校正技术应运而生，可以大大提高ADC性能。
　　本文以高速高精度低功耗ADC为研究课题，通过对pipeline ADC的结构以及性能指标入手分析，在速度、精度、面积以及功耗折中的基础上确定了pipeline ADC整体架构，并辅以片上数字校正以纠正设计中带来的误差，以消除误差带来的性能影响，并降低功耗和面积。基于SMIC55nm工艺完成了10bit200M流水线ADC的电路模块设计，数字校正，前仿和版图后仿。仿真结果显示：在电源电压1.2V，采样频率200MSPS，输入频率91MHz条件下，电路经过校正后的有效位数达到9.86bit，同时模拟电路功耗只有68mW。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1论文选题依据与意义

1.2国内外研究现状

1.3本论文结构安排

第二章 ADC概述

2.1 ADC结构类型

2.2 ADC性能参数

2.3本章小结

第三章 流水线ADC的电路结构与误差来源

3.1采样保持电路

3.2 sub ADC

3.3 MDAC

3.4比较器失调误差

3.5 MDAC误差

3.6 ADC热噪声分析

3.7本章小结

第四章 流水线ADC的电路结构设计与优化

4.1采样电容的确定

4.2运放参数确定与结构选取

4.3栅压自举开关电路

4.4带冗余位的流水线ADC的结构

4.5数字校正技术

4.6本章小结

第五章10bit 200MSPS Pipeline ADC的设计

5.1流水线ADC结构框架的确定

5.2非交叠时钟的设计

5.3采样保持电路的设计

5.4 sub-ADC的设计

5.5 MDAC的设计

5.6流水线ADC的校正

5.7整体电路前仿结果

5.8版图及后仿

5.9本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果