CMOS图像传感器中高性能流水线模数转换器研究

摘要

在当代，传感器技术越来越流行，而模数转换器是构成传感器系统的主要部分。在一个高速高动态范围的CMOS图像传感器系统中就需要有一个高速高精度的模数转换器(ADC)。 而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，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。在该系统模型中分别考虑了热噪声，比较器失调，MDAC的增益误差等非理想因素。通过对系统模型的仿真，建立了电路参数和系统指标的联系，并得到了一些有用的数据来指导电路设计。 第二，系统被划分成数字电路和模拟电路模块，并用0.35um工艺实现。在设计模拟电路部分时，对开关电容放大器在性能和功耗上进行了优化。在设计数字部分时，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，加法器等的方法。这些电路主要用于完善系统的功能，并实现数字矫正。 第三，因为整个流水线ADC是一个标准的混合信号的系统，所以版图需要仔细的设计，考虑匹配和噪声的问题。最后，在Spectre仿真器中对整个系统进行仿真，并得到了满足性能要求的总谐波失真的指标。 本文的创新点主要体现在以下几个方面： (1)通过系统仿真优化系统从而减小功耗。(2)通过优化系统中开关电容放大器模块进一步减小功耗。(3)通过合理的时序消除或者减小非线性的影响。 (4)利用恒定栅极和源极电压的开关管提高系统的性能。(5)仔细的版图设计保证实际芯片的性能。

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第一章前言

1.1设计背景

1.2本文的结构

1.3 ADC性能指标

1.3.1精度(Resolution)

1.3.2非线性(Nonlinearity)

1.3.3信噪比(SNR)

1.3.4信号对噪声加失真的比(SNDR)

1.3.5动态范围(Dynamic Range)

1.3.6无杂散动态范围(SFDR)

1.3.7输入带宽(Input Bandwidth)

1.3.8输入信号摆幅(Input Signal Swing)

第二章高速ADC的原理和各种结构的比较

2.1高速ADC的一般结构

2.2闪烁型(Flash)ADC

2.3折叠型(Folding)/内插法(Interpolating)ADC

2.3.1折叠型ADC

2.3.2插补技术(Interpolating)

2.4两步(Two-Step)ADC和子区型(Subranging)ADC

2.4.1两步ADC

2.4.2子区型ADC

2.5流水线型(pipeline)ADC

2.5.1流水线ADC精度和速度的优势

2.5.2流水线中MDAC的实现

第三章每级1.5位流水线ADC系统建模

3.1每级1.5位流水线ADC的理想系统的实现

3.1.1流水线一级的Matlab实现

3.1.2每级1.5位流水线系统功能的验证

3.2非理想因素对每级1.5位流水线ADC系统的影响

3.3噪声(Noise)

3.3.1量化噪声

3.3.2热噪声

3.3.3系统仿真确定各级采样电容的大小

3.4比较器的失调误差(Comparator Offset)

3.5余数放大器的增益误差(Residue Amplifier Gain Error)

3.5.1余数放大器的误差对系统性能的影响

3.5.2静态的增益误差

3.5.3动态的增益误差

3.5.4数字校准技术

第四章每级1.5位，50兆流水线ADC的电路实现

4.1每级1.5位，50M流水线ADC的电路级模块划分

4.2比较器电路

4.2.1比较器电路结构的比较和选择

4.2.2基于锁存器的比较器电路

4.3开关电容放大器

4.3.1采样保持电路

4.3.2余数放大器

4.4数模转换模块

4.5时钟产生电路

4.6数字逻辑电路

4.6.1锁存器电路

4.6.2数字矫正逻辑电路

第五章提高系统性能的关键技术

5.1主要采用的技术

5.2采样开关的改进

5.2.1固定栅极和源极电压的采样开关

5.2.2设计时考虑的一些问题

5.3下极板采样技术

5.3.1电荷注入效应

5.3.2下极板采样技术

5.3.3消除比较器的反馈噪声

第六章版图和晶体管级仿真结果

6.1版图需要考虑的一些基本问题

6.1.1噪声的隔离

6.1.2匹配问题

6.2电路的布局和最后的版图

6.3仿真方法和结果

6.3.1仿真注意的问题

6.3.2仿真结果

第七章总结和展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢