流水线ADC系统级功耗优化方法的研究与实现

摘要

流水线模数转换器(ADC)以其在速度、精度、面积与功耗诸方面的综合优势，在高速、中高精度应用场合获得广泛应用，尤其是便携型电子产品的飞速发展和巨大需求，对进一步降低流水线ADC的功耗提出了更高要求。
　　 本文针对低功耗应用的需求，从流水线ADC的主要功耗来源出发，对系统总功耗进行了研究与分析。在深入讨论系统结构、工作原理以及模块电路实现结构的基础上，对其关键功耗模块MDAC(Multiplying DAC)和子ADC进行了功耗建模，讨论了热噪声的限制、采样保持电路、各级余量放大器精度以及子级单位电容取值对功耗优化的影响，最终推导得出系统总功耗与级分辨率分布、各级单位电容缩减系数等系统结构参数，以及与系统精度、工作频率等系统指标参数之间的关系。在此基础上，将流水线ADC的系统级功耗优化问题抽象成求解多变量函数最优值的数学问题，在MATLAB中实现了采用穷举与遗传算法相结合的混合搜索算法求解最优系统结构参数的CAD工具。给出了不同性能ADC的优化结果，并进行了分析比较，可用以指导流水线ADC的系统结构设计。论文采用功耗优化后确定的系统结构参数，在Cadence中对14位，100MS/s流水线ADC的关键单元进行了电路设计。基于SMIC0.13μm工艺的仿真结果表明预计总体功耗约为180mW，与已有的具有相似性能指标的工作相比，功耗明显降低，验证了本研究提出的系统级优化方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容和目标

1.5 论文结构

第二章 流水线ADC基础理论

2.1 A/D转换器的基本性能指标参数

2.2 流水线ADC的一般系统结构

2.3 流水线ADC的基本组成模块

2.4 流水线ADC中的非理想误差源

2.5 小结

第三章 流水线ADC功耗优化分析与建模

3.1 系统功耗估计与结构参数定义

3.2 MDAC的功耗建模

3.3 SubADC的功耗建模

3.4 与功耗优化相关的限制条件

3.5 进一步优化功耗的考虑

3.6 系统总功耗与系统参数之间的关系

3.7 小结

第四章 流水线ADC功耗优化方案与实现

4.1 优化问题

4.2 优化算法

4.3 基于功耗优化的流水线ADC系统优化方案

4.4 优化实例

4.5 小结

第五章 关键模块电路设计

5.1 SHA

5.2 SubADC

5.3 MDAC

5.4 运放设计

5.5 Bootstrapped开关

5.6 时钟产生模块

5.7 小结

第六章 总结与展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果