面向低电源电压的高性能流水线模数转换器的研究与实现

论文摘要

最近几十年以来,无线通信技术的迅猛发展对模拟电路的设计提出了越来越多的挑战。在先进工艺条件下面向低电源电压的高速高性能模数混合电路的设计成为当前研究的热点和难点。对于在射频接受机中广泛使用的模数转换器（ADCs）,高采样率、高分辨率、高速度、低功耗是ADC设计不断追求的目标。同时,考虑到芯片的成本,越来越多的电路模块甚至于整个电路系统都集中在同一硅片上。由此导致模拟电路和数字电路共用相同的电源电压。为了降低动态功耗,数字电路不断降低电源电压,这对集成在同一硅片上的模拟电路以及数模混合电路来讲提出了更高的要求。本论文主要研究和设计了一款基于视频应用,面向0.13μm及更先进工艺条件下低电源电压的高速高精度流水线模数转换器。在架构和电路实现上提出了若干新的技术以解决低电源电压下高性能模数转换器所面临的各种挑战。本论文主要的创新点有以下几个方面：（1）提出了一种全新的第0级流水线架构,将每级流水线的输出摆幅从理论上降为原来的一半,从而为增益自举型运放在先进工艺低电源电压条件下的应用提供了用武之地。（2）提出了一种新的第0级同步采样策略,从而去除了传统的采样保持电路,既节省了功耗又降低了热噪声对性能的影响,同时配合了创新点（1）中降低运放输出摆幅的要求。（3）提出了一种适应于低电源电压的低失调动态比较器,作为核心构成了每一级流水级的subADC,从而为整个系统实现在低电源电压下高效工作提供了一个完整的解决方案。（4）提出了一套利用verilog-a辅助电路和系统设计的方法,从而可以加快设计的进度,提高设计效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究的背景和动机
• 1.2 当前流水线ADC的研究现状和热点
• 1.3 模数转换器的应用实例
• 1.4 本论文主要工作和组织架构
• 第二章 模数转换器的相关原理
• 2.1 信号与系统的基本理论
• 2.1.1 周期采样
• 2.1.2 采样的频域表示
• 2.2 ADC基本原理
• 2.2.1 奈奎斯特速率转换器
• 2.2.2 理想的A/D转换器
• 2.2.3 量化噪声
• 2.2.4 各类有符号数编码
• 2.2.5 性能参数
• 2.3 各种类型的模数转换器
• 2.3.1 逐次逼近转换器（SAR ADC）
• 2.3.2 瞬时转换器（Flash ADC）
• 2.3.3 流水线模数转换器（Pipeline ADC）
• 2.3.4 过采样模数转换器（∑△ADC）
• 2.4 总结
• 第三章 流水线模数转换器（Pipeline ADC）
• 3.1 数字校正技术
• 3.2 子模数转换器（sub-ADC）
• 3.3 MDAC余量放大原理
• 3.4 流水级中的误差和非线性的影响
• 3.4.1 sub-ADC中的非理想因素
• 3.4.2 运算放大器的非理想因素
• 3.4.3 电容失配
• 3.4.4 非理想MOS开关
• 3.4.5 热噪声
• 3.4.6 时钟抖动
• 3.5 总结
• 第四章 流水线模数转换器模块电路设计
• 4.1 动态比较器
• 4.1.1 电阻型动态比较器
• 4.1.2 差分对型动态比较器
• 4.1.3 电容型动态比较器
• 4.1.4 三种比较器综述
• 4.2 运算放大器
• 4.2.1 密勒补偿的两级运放
• 4.2.2 Ahujia补偿的两级运放
• 4.2.3 单级套筒式运放
• 4.2.4 单级折叠式运放
• 4.2.5 增益自举型运放
• 4.3 自举采样开关
• 4.3.1 传统的增益自举开关
• 4.3.2 改进的增益自举开关
• 4.4 相不交叠时钟
• 4.5 总结
• 第五章 低电源电压的流水线模数转换器设计实例
• 5.1 本设计实例的指标要求
• 5.2 ADC的结构考量
• 5.3 ADC基本结构和电路模块
• 5.3.1 流水线ADC的整体架构
• 5.3.2 运放共享技术
• 5.3.3 增益自举运放
• 5.3.4 低压共源共栅偏置电路
• 5.4 ADC改进的结构和创新的电路模块
• 5.4.1 运放输出摆幅减半技术
• 5.4.2 无采样保持级同步采样策略
• 5.4.3 新型低失调动态比较器
• 5.5 电路及系统设计中verilog-a辅助设计技术
• 5.5.1 电路设计中的verilog-a辅助设计举例
• 5.5.2 系统设计中verilog-a建模的应用
• 5.5.3 verilog-a辅助设计效果示例
• 5.6 总结
• 第六章 流水线模数转换器的版图设计及芯片测试
• 6.1 流水线模数转换器的版图设计
• 6.1.1 版图中远距离偏置电流的布线原则
• 6.1.2 浅沟道隔离应力效应
• 6.1.3 版图的整体布局
• 6.2 流水线模数转换器的芯片测试
• 6.2.1 流水线模数转换器的静态指标
• 6.2.2 流水线模数转换器的动态指标
• 6.2.3 低电源电压的全新架构与传统结构测试结果对比
• 6.2.4 测试性能与同类模数转换器对比
• 6.3 总结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来展望
• 参考文献
• 后记