高精度、低功耗流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計.pdf

1、流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器被廣泛地應用于圖像處理、通信基站、數(shù)字視頻和快速以太網(wǎng)等領(lǐng)域。而對于應用越來越廣泛的手持移動終端而言,低功耗對于產(chǎn)品電池的使用壽命起著至關(guān)重要的作用。同時隨著人們對音質(zhì)、畫質(zhì)等感官體驗的要求越來越高,以及更為細致的數(shù)據(jù)信息量要求,高精度也成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計中一個極為重要的方面。通常實現(xiàn)低功耗的方法往往會產(chǎn)生各種誤差從而導致精度降低,同樣實現(xiàn)高精度又往往需要以增加功耗為代價,因此如何同時實現(xiàn)高精度和低功耗成為了研究的

2、熱點和難點。
　　論文主要研究了應用于數(shù)字視頻領(lǐng)域的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的低功耗及高精度實現(xiàn)方法。從采用級間運放共享技術(shù)來降低功耗為切入點,首先分析了傳統(tǒng)運放共享結(jié)構(gòu)中影響電路精度的因素。其次為了消除這些因素的影響,提出了新的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù),從而達到了同時實現(xiàn)高精度和低功耗的目的。搭建了流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器Matlab模型,引入了各種非理想因素參與行為級仿真,建立了系統(tǒng)級的設(shè)計框架。最后完成了整個流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計、版圖布局

3、和芯片測試等全部流程。
　　主要研究成果和工作有以下幾個方面:
　　1)從降低運放功耗入手,選擇功耗最低的單級套筒式運放,同時采用級間運放共享和逐級縮減等技術(shù),實現(xiàn)低功耗設(shè)計。
　　2)詳細分析了傳統(tǒng)級間運放共享結(jié)構(gòu)中存在的記憶效應、級間信號串擾以及共享開關(guān)引入的電荷注入和時鐘饋通等各種影響電路精度的因素。為了消除這些因素的影響,提出了一種新的雙輸入開關(guān)內(nèi)置運放共享結(jié)構(gòu)的MDAC電路。
　　3)提出采用兩組輸入差

4、分對管的結(jié)構(gòu),共享運放的兩流水級各使用一組,每組差分對管在保持時段交替參與運放工作,而在采樣時段則交替的連接到共模輸入電壓進行復位,從而完全消除記憶效應,并且不需要額外的復位時間。
　　4)提出將運放共享開關(guān)嵌入在運放內(nèi)部,有效消除了級間信號串擾通路;因此,開關(guān)產(chǎn)生的電荷注入和時鐘饋通效應也不會對信號建立精度造成影響;同時消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用外置開關(guān)所引入的寄生電阻對運放失調(diào)的影響。內(nèi)置的共享開關(guān)僅消耗約30mV的電壓裕度,不會影

5、響運放的輸出擺幅。
　　5)提出采用雙相交疊時鐘來控制運放共享開關(guān),解決了采用傳統(tǒng)非交疊時鐘導致的大信號建立惡化的問題。通過采用與被偏置電路一致的結(jié)構(gòu),改進了寬擺幅運放偏置電路,與系統(tǒng)中各運放都能獲得更好的匹配。
　　6)從傳遞函數(shù)的角度建立了流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的Matlab系統(tǒng)級模型,并引入了諸如電容失配、噪聲、運放單位增益帶寬、運放壓擺率、時鐘抖動以及比較器失調(diào)等非理想因素影響,從而指導電路設(shè)計。模型仿真結(jié)果與流片結(jié)果契

6、合。
　　7)在SMIC0.18-μm、1.8V電源電壓、單層多晶硅六層金屬的標準CMOS工藝下完成了一款10 bit80 MSps的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計、版圖布局、仿真驗證以及芯片測試等工作。
　　采用這種新型雙輸入開關(guān)內(nèi)置運放共享的MDAC結(jié)構(gòu)可以在不增加額外時鐘、功耗、面積的條件下,消除多種制約MDAC精度的誤差來源,從而有效提高系統(tǒng)精度。
　　此外,基于雙輸入開關(guān)內(nèi)置運放的良好隔離特性,對電路進行進一步

7、的優(yōu)化和改進,令采樣保持電路與第一級MDAC共享運放,從而完全避免運放功耗的額外消耗,繼續(xù)顯著降低系統(tǒng)功耗。
　　流片測試結(jié)果顯示,本論文設(shè)計的10-bit80 MSps模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效位(ENOB)可以達到9.69 bit,無雜散動態(tài)范圍(SFDR)可以達到76 dB,并且在整個奈奎斯特帶寬內(nèi)都保持著9.62bit以上的ENOB。當輸入信號超過奈奎斯特頻率,甚至接近采樣頻率時,ENOB仍可以達到超過9.47 bit的精度。此外,當