红外探测器读出电路中12位流水线模数转换器的研究

摘要

在数字信号处理系统功越来越强大的今天，流水线模数转换器(Pipelined ADC)，由于其在低功耗高速高精度等方面的优势，得到越来越广泛的应用。 本论文从焦平面红外探测器中高速、低功耗模数转换电路的需求出发，分析和比较了三种典型高速模数转换器功耗，确定了流水线模数转换器在降低功耗上的优越性。进而从系统的角度，对于影响流水线ADC性能的各种误差来源，包括比较器的失调、余数放大器的增益、余数放大器增益的非线性、噪声等给出了详细的推导和说明；并结合系统的要求，对放大器、比较器、模拟开关等主要电路模块的设计进行了深入的分析。针对12位分辨率25MS/s采样速率、良好的动态特性以及功耗优化的设计要求，制定系统架构，选用电路结构，完成电路的设计，并通过了仿真验证。 论文中为了实现噪声和功耗的优化，改进了传统的流水线ADC系统结构，利用Matlab和Excel等数学工具对系统进行建模分析并加以优化，得出系统性能对于各关键模块的性能要求；针对电路设计中的几大难点，将高性能、低功耗的增益自举折叠式和套筒式运算放大器分别应用于采样保持和第一级MDAC中，提高了关键模块的性能；采用了下极板采样技术和高可靠性自举开关的技术，基本消除了由采样开关引入的非线性误差；结合电荷分配型和前置放大型比较器的优点，改进了第一级子模数转换器中的比较器，更大程度上减小了比较器失调和反馈噪声，同时还降低了设计难度；在时钟控制上采用改进型两相不交叠时钟，提高了系统转换周期的可利用率。 在完成系统建模和电路仿真的前提下，采用码密度分析和FFT分析的方法分别对理想模型和实际设计系统的静态、动态性能进行了分析和比较。所设计的流水线模数转换器在25M工作频率下，微分非线性误差小于0.5LSB，信噪比、信噪失真比和无杂散动态范围分别为71.9dB、71.6dB和82.7dB，有效位数为11.5bit。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1选题的背景和意义

1.2 A/D转换器的常见结构

1.2.1 Flash ADC

1.2.2 Two Step Flash ADC

1.2.3 Pipelined ADC

1.2.4三种ADC的功耗比较

1.3论文结构

第二章A/D转换器中的基本理论

2.1理想的A/D转换器

2.2实际A/D静态性能参数

2.2.1分辨率(Resolution)

2.2.2精度(Accuracy)

2.2.3量化误差(Quantization Error)

2.2.4失调误差(Offset Error)

2.2.5增益误差(Gain Error)

2.2.6非线性误差(Non-Linearity)

2.3实际A/D动态性能指标

2.3.1信噪比(SNR)

2.3.2信噪失真比(SINAD or SNDR)和有效位数(ENOB)

2.3.3总谐波失真(THD)

2.3.4动态范围(DR)

2.3.5无杂散动态范围(SFDR)

2.4本章小结

第三章流水线ADC系统分析

3.1流水线ADC的系统结构

3.2流水线ADC的误差来源

3.2.1比较器的失调误差(Comparator offset)

3.2.2余数放大器的增益误差(Residue Amplifier Gain Error)

3.2.3数模转换器的非线性(Nonlinear DAC)

3.2.4余数放大器的非线性(Residue Amplifier Nonlinearity)

3.2.5建立误差(Settling Time Error)

3.2.6噪声(Noise)

3.3系统性能与流水线每级设计的关系

3.4流水线每级精度与功耗的关系

3.5流水线ADC系统结构选择

3.6 Matlab系统建模

3.7本章小结

第四章流水线ADC的电路模块设计

4.1运算放大器的设计

4.1.1运算放大器结构简介

4.1.2单级运算放大器

4.1.3增益增强型运算放大器

4.1.4共模反馈电路

4.2比较器的设计

4.2.5比较器的结构

4.2.6电阻失配结构

4.2.7电荷分配型比较器

4.2.8带有预放大级的比较器

4.3改进型两相不交叠时钟电路

4.4 MOS开关

4.5数字逻辑纠错技术

4.6本章小结

第五章实际流水线模数ADC的设计

5.1系统结构设计

5.2采样电容的选取

5.3采样保持电路设计

5.3.1采样保持电路结构选择

5.3.2采样保持放大器的电路设计

5.3.3采样保持电路仿真结果

5.4第一级2.5bit流水线设计

5.4.4第一级增益数模转换电路(MDAC)

5A.5第一级子ADC(Sub-ADC)

5.5其他各级1.5bit流水线的设计

5.6本章小结

第六章系统性能分析

6.1系统静态性能分析

6.1.1码密度法分析的基本原理

6.1.2 Matlab模型DNL与INL分析结果

6.1.3系统的DNL与INL分析结果

6.2系统动态性能分析

6.2.4功率谱与快速傅立叶变换

6.2.5 Matlab模型动态性能分析结果

6.2.6设计系统动态性能分析结果

6.3本章小结

总 结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢