高能效流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計.pdf

1、由于意識到能源消耗是氣候變化和全球變暖的重要因素之一，不斷減小能量消耗已經(jīng)成為電路與系統(tǒng)學會的共識?？梢哉f，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)是所有虛擬電子系統(tǒng)中必不可少的組成模塊，因此，研究高能效ADC的重要性是顯而易見的。無線通信與消費電子在過去十多年的發(fā)展歷史也已經(jīng)證明了這一點。作為system-on-chip(SoC)或system-in-package(SiP)應(yīng)用系統(tǒng)中的一部分，高能效ADC的研究意義不僅體現(xiàn)在它自身消耗更少的功耗，而且

2、ADC能效的突破對智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分變得越來越重要。后者可能會使整個應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)更大幅度地降低功耗、降低制造成本、或者縮短研發(fā)周期。
　　 本論文針對高能效流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計面臨的種種問題，從數(shù)字補償算法和模擬電路技術(shù)兩個方面入手，研究提高ADC能效的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 在數(shù)字補償算法方面，論文的研究重點是快速、魯棒的模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字補償技術(shù)。論文通過分析現(xiàn)有數(shù)字補償技術(shù)的特點及存在的問題，提出了一種“時域拓展補償”方法，

3、將其與拓展后的“與信號相關(guān)的抖動激勵疊加”方案有效結(jié)合，構(gòu)成一種新的前臺、后臺混合數(shù)字補償技術(shù)，用以補償多位/級結(jié)構(gòu)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由運放有限增益和電容失配引入的線性誤差。該補償技術(shù)在保留“基于相關(guān)檢測補償算法”良好魯棒性的同時，大幅度地縮短了補償因子估計所需的收斂時間，實現(xiàn)了快速補償。
　　 在模擬電路技術(shù)方面，論文重點研究可以和數(shù)字補償技術(shù)補充應(yīng)用、進一步提高轉(zhuǎn)換器能效的運放共享技術(shù)和多位/級MDAC的建立特性優(yōu)化技術(shù)或電

4、路結(jié)構(gòu)。針對現(xiàn)有各種運放共享技術(shù)存在的問題，論文提出了一種共模檢測與輸入輪換(CSII)的運放共享技術(shù)；該技術(shù)可以實現(xiàn)前后相鄰兩級流水線級電路共享一個折疊級聯(lián)結(jié)構(gòu)的運算放大器，而且不增加額外的開關(guān)或旁路，可有效消除運放共享時可能引入的記憶效應(yīng)或級間串擾等問題。針對高精度轉(zhuǎn)換器中多位/級結(jié)構(gòu)MDAC存在的建立速度約束問題，本論文提出了一種負載平衡的MDAC結(jié)構(gòu)，低功耗地實現(xiàn)多位/級MDAC的快速建立，消除不完全建立誤差。
　　 論

5、文采用0.13μm CM()S工藝完成了一個1.2V電源電壓、12位精度、采樣率5～45MS/s的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與流片驗證。該設(shè)計采用CSII運放共享、無前端采樣保持放大器這兩項關(guān)鍵技術(shù)，并通過數(shù)字化調(diào)節(jié)運放、比較器、內(nèi)置參考電壓驅(qū)動電路等基本單元的偏置電流來獲得良好的“功率與采樣率之比”。芯片的內(nèi)核面積為1.5mm2，測試結(jié)果表明：采樣率與功耗等比例變化時，測得的SNDR最小為62.5dB、最大為69.2dB，SFDR可達到80.7

6、dB，工作電源電壓典型值為1.2V，單次轉(zhuǎn)換消耗能量(FoM值)最小為0.26pJ/conversion、最大為0.5pJ/conversion。與近年來國際上發(fā)表的具有相近性能的可編程流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，該設(shè)計的FoM值具有一定的競爭優(yōu)勢，測試結(jié)果驗證了相關(guān)創(chuàng)新點的有效性。
　　 面向OFDM無線通信系統(tǒng)應(yīng)用，論文還設(shè)計了一個14位線性度、采樣率為50MS/s的數(shù)字補償流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的模擬電路部分采用0.13μm

7、1P8M CMOS工藝實現(xiàn)，芯片內(nèi)核面積為1.3mm2；數(shù)字補償?shù)男盘柼幚聿糠衷贛ATLAB軟件中離線實現(xiàn)。測試結(jié)果表明：數(shù)字補償前，SNDR和SFDR分別為58.6dB和66.5dB；數(shù)字補償后，SNDR和SFDR分別提高至64.4dB、81.9dB。轉(zhuǎn)換器工作在1.2V電源電壓下，其內(nèi)核消耗功耗76mW。由于對OFDM無線通信系統(tǒng)這一特殊應(yīng)用而言，最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換器性能指標是用SFDR表示的線性度而不是SNDR，因此按照13位有效線性度