标准数字CMOS工艺下高速流水线模数转换器的研究与设计

论文摘要

消费类电子产品市场中数码相机、数字电视、监视器和投影仪等视频应用的广泛应用,促进了视频处理电路的快速发展。作为一个瓶颈模块,高速高精度ADC成为热门研究课题。本文研究了标准数字CMOS工艺下适于系统集成的低成本高速高精度流水线模数转换器(ADC)的实现。在系统设计方面,本文通过建立开关电容型流水线ADC的噪声模型,得到级位数和采样保持电容的优化取值;根据级电路的建立误差模型对运放电流进行了优化。最后总结了高速流水线ADC的低功耗设计流程。器件实现方面,探讨了标准数字CMOS工艺下高性能电容的实现,提出了两种实用的金属互连线电容:具有高单位面积电容率的错列金属叉指电容和具有很好匹配特性的共极板金属叉指电容。最后,设计了一个用于视频前端的10位110MS/s流水线ADC,并完成了流片和测试。该ADC采用0.18μm标准数字CMOS工艺,电源电压为3.3/1.8V,集成了增益可变的宽带采样保持电路和片内参考源。论文还使用了对称栅压自举开关、衬底自适应开关、普通管和厚栅管结合的OTA等设计技术以达到最高110MHz的采样频率。测试结果表明,DNL和INL分别小于1LSB和2.7LSB,在采样频率和输入频率分别为100MHz和5.1MHz时SFDR为58.5dB,SNDR为48.7dB。当采样频率和输入频率分别为14.7MHz和6.9MHz时,SNDR为58.7dB。ADC的功耗为190mW,面积为2.7mm~2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 CMOS工艺和模拟电路设计
• 1.2 模/数转换器
• 1.3 论文的主要工作和贡献
• 1.4 论文的组织安排
• 第2章 高速流水线ADC概述
• 2.1 ADC介绍
• 2.1.1 理想ADC
• 2.1.2 ADC的性能指标
• 2.2 高速ADC分析
• 2.2.1 采样理论
• 2.2.2 ADC的采样频率
• 2.2.3 ADC的带宽
• 2.3 流水线ADC基础
• 2.3.1 数字校正算法
• 第3章 高速高精度流水线ADC系统设计
• 3.1 整体误差模型
• 3.2 基于噪声模型的电容取值优化
• 3.2.1 级电路的噪声
• 3.2.2 不考虑T/H时的功率优化
• 3.2.3 有T/H时的功率优化
• 3.2.4 噪声模型的总结
• 3.3 电容失配
• 3.4 基于MDAC建立误差分析的功率优化
• 3.4.1 MDAC的建立过程
• 3.4.2 对运放电流的优化
• 3.5 高速ADC系统设计总结
• 第4章 数字工艺下的电容实现
• 4.1 金属互连线电容
• 4.2 错列金属叉指电容
• 4.3 共极板金属叉指电容
• 第5章 10位110MS/s流水线ADC的实现
• 5.1 系统结构设计
• 5.1.1 电源电压的选择
• 5.1.2 电容取值与逐级递减
• 5.1.3 系统时序
• 5.2 流水线转换通路
• 5.2.1 可变增益宽带T/H电路
• 5.2.2 级电路
• 5.2.3 运放设计
• 5.2.4 比较器
• 5.3 参考源的设计
• 5.3.1 带隙基准源
• 5.3.2 差分参考电压发生电路
• 5.4 其他电路
• 5.4.1 时钟发生电路
• 5.4.2 电平移位电路
• 5.5 版图实现
• 5.6 芯片测试
• 5.6.1 静态测试
• 5.6.2 动态测试
• 5.6.3 测试总结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢