高速高精度模数转换器的设计与实现

论文摘要

随着以软件无线电为代表的无线通信技术,CMOS工艺以及系统芯片SoC的发展,对于模数转换的速度和精度要求不断提高,整个系统的精度由模数转换器所决定。在这些应用中要求模数转换器同时具有高转换速率和高转换精度。流水线模数转换器具有较高的转换精度,同时流水线结构本身具有高速转换的特点,使得流水线模数转换器在高速高精度的应用中体现出极大的优势,已成为混合信号集成电路的一个重要研究方向。高速高精度模数转换器在国际上已经有很多商用芯片,而这一类芯片属于对国内禁运的产品,所以有必要在高速高精度模数转换领域进行研究,探索其设计实现方法。本文分析了流水线模数转换器的主要电路模块,包括主要有采样保持电路,流水线转换级电路,电压参考电路,时钟电路,数字校正电路等,并设计了一款采用TSMC0.18μm混合信号工艺的14位1 OOM采样率的流水线模数转换器原型电路。本文设计的模数转换器原型电路具有以下特点：考虑了包括采样开关的导通阻抗与非线性,使用了CMOS开关,栅电压自举开关等技术；考虑模数转换的高精度和高速要求设计了增益提高运算放大器；考虑电容失配等误差设计了数字校正算法,其中数字校正算法利用了数字电路灵活性高,容易实现复杂功能的特点,可以有效地抑制或校正其非理想特性。本文所设计的14位100M采样率的流水线模数转换器原型芯片中包括了电容翻转采样保持电路,流水线转换级,电压参考电路,以及数字校正电路等部分。经过校正的模数转换器系统仿真达到了70 dB以上的信噪比和90 dB以上的无杂散动态范围；在0.1%电容失配的条件下,数字校正电路可以使无杂散动态范围提高20 dB以上。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景及现状
• 1.2 高速高精度流水线ADC设计挑战
• 1.3 论文安排
• 第2章 模数转换器基本原理与转换器结构选择
• 2.1 模数转换器基本原理
• 2.2 模数转换器基本参数
• 2.2.1 静态参数
• 2.2.2 动态参数
• 2.2.3 采样率与转换延迟
• 2.2.4 模数转换器优值系数（Figure of Merit,FOM）
• 2.3 模数转换器分类
• 2.4 高速高精度模数转换器结构选择
• 2.4.1 与逐次逼近比较
• 2.4.2 与快闪型ADC比较
• 2.4.3. 与Σ-Δ型比较
• 第3章 流水线模数转换器技术
• 3.1 流水线模数转换器架构
• 3.2 流水线模数转换器主要非理想特性
• 3.2.1 Sub-ADC中的非理想特性
• 3.2.2 运算放大器的非理想特性
• 3.2.3 电容失配误差
• 3.3 流水线模数转换器关键模块电路
• 3.3.1 开关电容采样电路
• 3.3.2 运算放大器
• 3.3.3 高速比较器
• 3.3.4 参考电压产生电路
• 3.3.5 时钟稳定电路
• 3.4 流水线ADC数字校正技术
• 第4章 数字校正14位100MSPS流水线ADC原型设计
• 4.1 系统设计
• 4.2 模块电路设计
• 4.2.1 采样保持电路设计
• 4.2.2 流水线转换级电路设计
• 4.2.3 基准电压模块
• 4.3 前台数字校正算法与电路设计
• 4.3.1 数字校正算法原理
• 4.3.2 数字校正模块划分与实现
• 4.3.2.1 数字校正电路总体性设计
• 4.3.2.2 对流水线转换级的修改
• 4.3.2.3 校正参数获取电路设计
• 4.3.2.4 利用校正参数校正输出结果
• 4.3.2.5 控制器设计
• 4.3.3 数字校正仿真结果
• 4.4 系统仿真结果
• 4.5 版图设计
• 第5章 流水线ADC原型测试
• 5.1 测试系统
• 5.1.1 直流电源
• 5.1.2 输入信号发生器
• 5.1.3 时钟信号发生器
• 5.1.4 流水线ADC原型芯片测试板
• 5.1.5 逻辑分析仪
• 5.1.6 FPGA板
• 5.1.7 计算机
• 5.2 测试板（PCB板）
• 5.2.1 流水线ADC原型芯片模块
• 5.2.2 单端/差分转换模块
• 5.2.3 时钟驱动模块
• 5.2.4 供电模块
• 5.3 PCB版图
• 5.4 测试结果
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 在学期间科研成果