14bit 250MSPS流水线ADC中数字校准的研究与实现

摘要

作为模拟世界与数字系统间联系的关键技术之一,模数转换器设计已经引起广泛的关注。对于软件无线电、数字图像处理等应用场合,对模数转换器的速度及精度有较高的要求。而流水线模数转换器在速度、精度、功耗和面积上较其他结构的模数转换器有较强的优势,故高速高精度流水线模数转换器是当前的ADC研究热点之一。但是由于流水线ADC里包含有各类非理想效应,实现12位以上的流水线ADC难度很大。
　　本论文基于14位250MSPS流水线ADC的设计,考虑到各类误差源如电容失配、比较器失调、运放有限增益等对ADC有效位数、线性度等性能的影响,引入了一种前台的数字校准算法-OFFLINE算法。该算法针对流水线ADC前两级MDAC内的电容失配、比较器失调、运放有限增益等误差源进行校准,通过计算传输曲线跳变点处的实际高度来测量误差参数,并将测得的误差参数存放在寄存器中,在实际数据转换时调用这些参数,与转换的数字码字进行差减来进行数字校准。该算法可有效地增加ADC的有效位数,提高整体的线性度。其整体数字电路仅包含加法器和移位器,实现起来比较简单。
　　本文建立了14位250MSPS流水线ADC的Matlab&Simulink行为级模型,在此基础上引入数字校准技术,验证了该校准算法的有效性。然后建立了数字校准实现的整体方案,并搭建了详细的RTL级电路。本设计采用SMIC0.18μm1P6M CMOS工艺,通过布线工具SOC Encounter来实现整体数字电路的物理实现。最终芯片里数字电路总面积为0.5 2.5mm2。版图后仿真结果表明,经过校准后ADC的有效位数由12.1位上升到13.28位,无杂散动态范围SFDR由72.5dB上升到95.2dB,总谐波失真THD由-64.2dB下降到-75.5dB。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的工作和论文安排

第二章 流水线ADC误差源概述

2.1 流水线ADC基本原理及性能参数

2.2流水线ADC中误差源分析

2.3本章小结

第三章 流水线ADC中数字校准理论研究及行为级建模

3.1校准技术概述

3.2流水线ADC及其数字校准算法的行为级模型验证

3.3本章小结

第四章 数字校准的RTL电路实现

4.1适用于14位250MSPS流水线ADC的OFFLINE算法分析

4.2数字校准整体方案规划

4.3关键模块设计

4.3本章小结

第五章 流水线ADC数字电路的物理实现

5.1 ASIC物理设计

5.2 版图实现

5.3 版图后系统性能仿真

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

研究成果