应用于CMOS图像传感器的低功耗流水线模数转换器的研究

摘要

在混合信号系统中，模数转换器(ADC)是一个非常关键的部分。它是负责将模拟信号转换成为数字信号的器件，有着非常广阔的应用范围。流水线模数转换器(Pipelined ADC)，由于其在低功耗高速高精度方面的结构优势，在更加广泛的领域中得到了应用。本文主要针对应用于CMOS图像传感器的高性能的流水线ADC进行研究，并设计了一个低功耗10位10MHz流水线结构的模数转换器，设计基于SMIC 0.18μmCMOS工艺。 本文主要论述了以下几个方面： 第一，介绍了用Matlab建立的每级1.5位流水线ADC的系统模型。通过建立数学模型，把握系统的性能指标。在系统模型中加入非理想因素，如热噪声、余数放大器的增益误差、比较器失调误差和各种非线性误差。通过误差对系统性能影响的分析来指导电路设计。 第二，本文着重强调了精度和功耗的要求，这主要体现在： 1)功耗方面：采用带数字冗余校正的传统每级1.5位流水线结构，最大的降低比较器失调要求；采用电荷翻转型(flip-around)采样保持(T/H)电路，最小化采样保持级的噪声和功耗；采用电容缩减因子，降低后级运算跨导放大器(OTA)的要求，减小功耗；折衷考虑噪声和功耗，最优化采样电容值和OTA的工作电流。 2)精度方面：采样保持级采用自举(boost-strapping)开关和环内开关(in-loop switch)技术，大大提高了开关的线性度，减小失真；在时序上进行改进以消除比较器的反馈(kick-back)噪声等。 第三，对于设计中的数字部分，通过仔细设计时钟电路产生合理的系统时序，保证了系统的可靠性。另外，论文还提到了设计其他辅助的电路如锁存器阵列，全加器等的方法。这些电路主要用于完善系统的功能，并实现数字校正。 第四，把握当今模数转换器中研究的重点，对精度要求更高时采用的电容误差校正理论进行了简单的介绍，用数学模型进行小信号分析仿真，在此基础上提出了OTA和比较器共享技术，为更进一步优化降低功耗提出了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1设计背景和意义

1.2国内外研究状况和进展

1.3本文各部分主要内容及所做工作

1.4 ADC性能指标

1.4.1 ADC的静态特性

1.4.2ADC的动态特性

1.4.3小结

第二章 几种高速ADC的原理及性能比较

2.1全并型(Flash)ADC

2.2两步(Two-step)ADC

2.2.1半并行(Semi-Flash)ADC

2.2.2折叠-插值(Folding and Interpolating)ADC

2.3流水线(Pipeline)ADC

2.3.1流水线ADC的优点

2.3.2流水线ADC的结构

第三章 流水线ADC的系统分析

3.1流水线ADC子电路分辨率分析

3.1.1速度分析

3.1.2功耗分析

3.1.3每级1.5位结构

3.2流水线ADC误差分析及其影响

3.2.1余数放大器的有限增益误差

3.2.2比较器的失调误差

3.2.3数模转换器的失配误差

3.2.4热噪声

3.3数字校正技术

3.3.1冗余位的数字校正

3.2.2数字自校准技术

3.4每级1.5位流水线ADC的系统建模

第四章 低功耗10位10MHz流水线ADC的电路实现

4.1系统结构与采样电容选取

4.2采样保持级电路设计

4.2.1采样保持级MDAC的设计

4.2.2采样保持级MDAC中开关的设计

4.2.3采样保持级MDAC中OTA的设计

4.3比较器的设计

4.4余数放大器的设计

4.5数模转换模块(DAC)设计

4.6数字电路逻辑设计

4.7两相不交叠时钟设计

4.8流水线ADC的仿真分析及结果

4.8.1流水线ADC的仿真分析

4.8.2流水线ADC的仿真分析

第五章 电容误差校正技术

5.1有源电容误差校正技术(ACEA)

5.2无源电容误差校正技术(PCEA)

5.3一种电容误差失配校准技术

5.3.1电容误差失配校准原理

5.3.2电容误差失配校准的速度分析

5.3.3电容误差失配校准的性能比较

5.4改进型无源电压校正技术

5.4.1改进型无源电压校正原理

5.4.2改进型无源电压校正的速度分析

5.4.3 OTA共享技术

第六章 总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢