应用于数字视频接收器的低功耗高速流水线模数转换器的研究

论文摘要

随着数字机顶盒、数字高清电视和液晶平板电视的迅猛发展，日常消费电子产品中的数字视频解调接收器和视频图像处理信号接收前端的重要模块-模数转换器的应用越来越广泛，而且随着整机产品的功能和性能要求越来越高，功耗低面积小的数字视频片上系统（SoC）单芯片已经成为10位分辨率、多通道模数转换器的主要应用芯片，例如3通道采集RGB和YUV信号的视频模拟前端。但是由于片上系统单芯片集成了大量的模拟电路和数字逻辑电路，内部时钟频率也非常高，因此导致电路噪声偏大，影响模数转换器的性能。如何使模数转换器既拥有较强的抗干扰能力，同时达到低功耗的要求，越来越成为模拟集成电路研究的热点和难点。 论文主要研究了兼容0.18um 1.8V标准数字逻辑CMOS工艺应用于数字视频领域的流水线模数转换器，通过matlab的分析和优化，建立了系统级的设计框架，然后根据系统需求的采样率、输出分辨率等要求计算出影响模数转换器性能参数的限制指标。再根据工艺参数和EDA工具设计出了晶体管级电路并进行了全电路性能仿真。最后设计了整个模数转换器和测试芯片的布局及版图，完成了整个芯片设计的全部流程。期间主要的研究成果和工作有以下几个方面： （1） 一般流水线模数转换器常用的动态比较器需要从外部输入参考源与输入信号进行比较然后输出数字域的结果，而本文提出的无输入参考源动态比较器不需要在比较器之外引入参考源而是利用比较器输入对管的差别产生比较阈值，这样减轻了参考源驱动电路的负载，排除了外部电路对动态比较器组成的子模数转换器模块的干扰，另外减少了外部引入参考源走线的数量进而减小了硅面积。 （2） 论文设计的低功耗高速模数转换器使用了1.8V电源，为了减少开关电容电路采样的信号失真，提出了一种新型的开关栅增压电路，使得信号开关器件的栅电压与输入信号无关，保持开关的导通电阻是常数，而且在增压传输路径中的开关导通电阻也与信号无关，从而降低了信号的谐波失真，提高了电路的动态范围。此外，所有的NMOS开关电路的衬底始终接在电路的最低电平上，这样就使该电路可以在普通的0.18um 1.8V数字标准逻辑CMOS工艺上实现，从而降低了芯片制造成本。 （3） 虽然流水线模数转换器的冗余位数字校正（RSD）能够消除一定的误差，但是在低电压应用中，由于信号输入幅度相对较高，因此冗佘校正后的误差仍较大，为了保证整个模数转换器依然有良好的线性度和良好的信噪比，论文提出了内插冗余校正技术。该技术的原理是：由于根据系统定义的噪声限制指标和制造工厂提供的工艺匹配参数可以计算出第i级之后插入一级冗余校正级。因此内插冗余校正级可以把第i级的输出大于正常输入范围数倍之内的信号做为输入（主要是第1级到第i级累积的误差并被MDAC电路放大引起的）然后输出时校正到后级能接受的正常输入范围，这样就可以避免最终模数转换器输出钳位和饱和引起整个ADC的线性度和动态范围的下降。 （4） 为了兼容标准数字逻辑工艺，MDAC中没有使用线性度较高的MiM电容，而是选择了三明治式金属层间电容（stack capacitor），这需要通过仔细提取金属层间电容的寄生参数以确保电容的线性度能保证整个ADC的性能。 （5） 为了优化电路的功耗和面积，论文设计的流水线模数转换器采用了运算放大器复用技术，这样可以让相邻的两个MDAC共用一个运算放大器，有效地降低了功耗和面积。 论文进行了两次硅实验，实验一是使用0.5um 2层多晶硅3层金属CMOS混合信号工艺实现了1MHz采样的10位流水线模数转换器电路，验证满足静态参数特性和动态参数性能的设计方法；实验二是使用0.18um 1.8V单层多晶硅6层金属标准逻辑工艺实现了100MHz采样的10位流水线模数转换器。在模数转换器的测试方面主要设计了高速电路应用的PCB板和整个测试平台环境搭建。实验一和实验二的DNL分别为0.71 LSB和0.47LSB；INL分别为0.8LSB和0.55LSB；实现的有效位（ENOB）分别为9.7位（1MHz采样）和9.3位（100MHz采样）；芯片面积分别为1.7mm2和0.98mm2；功耗分别为45mW和63mW，其中实验二的功耗优质因子（FOM）和面积优质因子（FOMA）分别为0.995pJ.V／Sa和1.55e-11mm2／Sa，这两个指标达到了近几年收录在JSSC和ISSCC等国际核心刊物的流水线模数转换器的研究成果，能够实现低功耗低硅面积数字视频及SoC嵌入式应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 论文的研究动机
• 1.2 论文研究的主要工作
• 1.3 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 宽带模数转换器
• 2.1 理想的模数转换器
• 2.2 宽带模数转换器在数字视频领域的需求和应用
• 2.2.1 模数转换器在数字视频信号通信中的应用
• 2.2.2 模数转换器在高清数字视频解码中的需求和应用
• 2.3 宽带模数转换器的结构种类
• 2.3.1 闪烁型（flash）模数转换器
• 2.3.2 分段模数转换器（subranging）
• 2.3.3 折叠内插模数转换器
• 2.4 低电源电压面临的问题
• 2.4.1 信噪比
• 2.4.2 电路速度
• 2.4.3 功耗
• 2.4.4 MOS开关
• 参考文献
• 第三章 模数转换器的性能参数
• 3.1 静态性能参数
• 3.1.1 参考源的精度
• 3.1.2 积分非线性误差
• 3.1.3 非线的性计算
• 3.1.4 差分非线性
• 3.1.5 失调误差
• 3.1.6 增益误差
• 3.1.7 电源电压
• 3.2 动态性能参数
• 3.2.1 信噪比（SNR）
• 3.2.2 无杂散动态范围（SFDR）
• 3.2.3 谐波失真（Harmonic distortion）
• 3.2.4 信号与噪声和总谐波失真比（SINAD）
• 3.2.5 有效位（ENOB）
• 3.2.6 孔径抖动
• 3.2.7 模拟系统带宽
• 3.2.8 优质因子（FOM）
• 3.3 采样保持电路的基本考量
• 3.3.1 采样信号的频谱
• 3.3.2 采样保持的频谱
• 3.3.3 采样保持电路的噪声
• 3.4 模数转换器作为信号接收端的设计考虑
• 参考文献
• 第四章 流水线模数转换器的结构
• 4.1 流水线模数转换器
• 4.1.1 子模数转换器
• 4.1.2 子数模转换器
• 4.1.3 余数和采样放大器
• 4.1.4 数字输出
• 4.2 数字校正
• 4.2.1 输出码和编码
• 4.2.2 RSD数字校正技术
• 4.3 流水线ADC的误差考虑
• 4.3.1 子ADC的误差
• 4.3.2 采样保持放大器的误差
• 4.3.3 子DAC误差
• 4.3.4 非理想开关电容电路的影响
• 4.4 流水线模数转换器的电路技术
• 4.4.1 比较器
• 4.4.2 运算放大器
• 4.4.3 参考电压电路
• 4.4.4 采样MOS晶体管开关
• 参考文献
• 第五章 模数转换器的测试基础
• 5.1 正弦波测试平台的建立
• 5.1.1 测试平台
• 5.1.2 输入信号谐波失真的考虑
• 5.1.3 时钟抖动的考虑
• 5.2 正弦波输入的动态测试技术
• 5.2.1 线性度测试
• 5.2.2 动态特性测试
• 5.2.2.1 离散傅立叶变换和快速傅立叶变换
• 5.2.2.2 相关采样和窗函数
• 5.2.2.3 数据取样的数量
• 参考文献
• 第六章 应用于数字视频接收器的流水线模数转换器
• 6.1 系统级优化设计
• 6.1.1 电路误差分析
• 6.1.2 matlab计算分析
• 6.2 十位分辨率1MHz的流水线模数转换器的电路设计
• 6.2.1 电容匹配
• 6.2.2 MDAC设计
• 6.2.3 运算放大器电路
• 6.2.4 比较器电路
• 6.2.5 参考电压电路和驱动电路
• 6.2.6 时钟发生电路
• 6.2.7 整个ADC的仿真和硅实验结果
• 6.3 应用于数字视频的10位100MHz采样的流水线ADC
• 6.3.1 系统结构的选择
• 6.3.2 运算放大器复用技术
• 6.3.3 低电压采样电路中开关电路的设计
• 6.3.4 无参考源动态比较器设计
• 6.3.5 低电源电压的运算放大器设计
• 6.3.6 内插冗余余数校正电路
• 6.3.7 其他电路
• 6.3.8 流水线ADC的结构
• 参考文献
• 第七章 版图设计及测试
• 7.1 版图设计
• 7.1.1 高速高精度混合信号设计原则
• 7.1.2 电路布局
• 7.1.3 子ADC和比较器的版图
• 7.1.4 第一级MDAC版图
• 7.1.5 其他电路版图
• 7.1.6 整个ADC芯片
• 7.2 芯片测试
• 7.2.1 芯片测试平台
• 7.2.2 测试结果
• 7.3 测试结果与相关研究结果的比较
• 参考文献
• 第八章 结论及未来的工作
• 8.1 结论
• 8.2 未来的工作
• 致谢
• 发表的论文及专利