高精度低功耗流水线型CMOS模数转换器的设计

摘要

随着通信网络和物联网的发展，无线通信系统的需求愈来愈多。低功耗超高频RFID技术在这种背景之下，逐渐成为研究热点。RFID技术具有低功耗、高速率和低成本等优点，在物联网、通信、数字视频信号处理以及高速以太网中都有广泛的应用前景。基于RFID系统高速率、低功耗的设计目标，本文设计了一种高精度高采样率低功耗的模数转换器(ADC)。
　　本文模数转换器的设计采用流水线型的结构，这种设计可以满足超高频RFID系统的高采样率和低功耗的设计要求。在本文的设计中，详细地分析了流水线模数转换器各个模块的电路组成以及限制流水线模数转换器性能的影响因素，包括增益自举型运算放大器、栅压自举开关、动态比较器以及提供稳定参考电压的带隙基准和线性稳压电路。在流水线模数转换器的电路结构上，本文选择了1.5比特/级的量化结构，多余的冗余位使流水线模数转换器实现了自校准的功能。通过使用运放共享和负载电容按比例缩小技术，减少了模数转换器中运放的数目及其负载电容的大小，从而减小了流水线模数转换器中运算放大器的功耗，实现低功耗的设计目标。对于运放共享结构设计，本文将采样保持电路和第一级余量增益电路进行运放共享，后面8级余量增益电路的相邻两级实现了两两运放共享，最后一级通过全并行模数转换器实现2比特的量化输出。
　　在本文的设计中，还对实际系统应用的电源稳定性和温度补偿做了分析，使得本设计的模数转换器在电源电压2.0V～3.3V范围内，核心流水线模数转换器有1.8V的稳定供电电压。
　　本文通过采用流水线结构，设计了1.8V电源电压下基于TSMC0.18μm1P4MCMOS工艺的11位100MS/s采样率的模数转换器。通过采用运放共享技术实现了芯片功耗和面积的减少与优化。本文采用了改进型栅压自举开关，来提高开关的线性度和分辨率，以及通过设计增益自举运放来提高运放增益。ADC核心的版图面积是0.65mm2，核心功耗为52mW。采样频率为100MS/s时，10MHz输入信号下，SFDR达到78dB，SNDR达到66.6dB，有效位数达到10.8位。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 模数转换器的发展现状

1．3 本文的工作和组织结构

第2章 模数转换器概述

2．1 模数转换器的工作原理

2．2 低通采样和带通采样

2．3 模数转换器相关性能指标和参数

2．3．1 静态参数

2．3．2 动态参数

2．4 模数转换器的分类及其发展

2．4．1 全并行模数转换器

2．4．2 时间交织模数转换器

2．4．3 流水线型模数转换器

2．4．4 逐次逼近式模数转换器

2．4．5 Σ-Δ模数转换器

第3章 流水线模数转换器系统设计

3．1 数字自校准算法

3．1．1 1．5比特／级数字自校准算法

3．1．2 数字自校准算法的MATLAB仿真

3．2 基于运放共享技术的流水线模数转换器结构

3．2．1 采样保持电路

3．2．2 余量增益电路

3．2．3 采样保持与余量增益共享运放

3．2．4 误差分析

3．3 电路指标

第4章 流水线模数转换器的电路设计

4．1 运算放大器的设计

4．1．1 基于gm／ID的运算放大器设计

4．1．2 带增益自举的直简式共源共栅结构运算放大器

4．1．3 密勒补偿型的运算放大器设计

4．1．4 单端电流镜运算放大器的设计

4．2 比较器的设计

4．3 开关的设计

4．3．1 NMOS开关

4．3．2 CMOS开关

4．3．3 栅压自举开关

4．3．4 改进型的栅压自举开关

4．4 两相不交叠时钟产生电路

4．5 低压差线性稳压器

4．6 带隙基准电路

第5章 版图设计与仿真结果

5．1 版图设计

5．2 流水线模数转换器的仿真结果

5．3 电路的改进

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果