12位100MSPS流水线ADC中的MDAC模块研究

论文摘要

本文针对12位100MSPS流水线ADC的系统要求,考虑MDAC对系统的影响,提出了基于运放共享(Opamp Sharing)技术和CFCS(Commutated feedbackcapacitor Switching即交换反馈电容开关)技术的MDAC结构,对MDAC各单元进行了分析和设计,并按比例逐级缩减电容尺寸进一步减小功耗以优化系统性能。针对低功耗要求,采用运放共享技术,在相邻两流水级的MDAC中共享一个运放,从而减小了流水线ADC中运放的数目,降低了系统功耗,减小了芯片面积。针对高精度要求,采用CFCS技术,根据不同的输入信号来选择不同的电容作为MDAC放大阶段的反馈电容,降低了对工艺本身电容匹配精度的要求,提高了系统线性度。在实际MDAC模块设计中,采用增益自举跨导运算放大器。并针对其中的主运放和两个辅助运放,分别设计了开关电容型和连续型共模反馈电路,确保了电路的稳定。第一、二级MDAC中运放直流增益为102dB,单位增益带宽为1.288GHz,相位裕度为66.6°,功耗为34.1mW。第三、四级MDAC中运放直流增益为97.8dB,单位增益带宽为691.8MHz,相位裕度为83°,功耗为10.3mW。基于SMIC 0.18μm/3.3V硅CMOS工艺模型,在Cadence仿真环境下对各级MDAC进行了模拟仿真。结果表明,首级MDAC的建立精度为499.69mV,压摆率为544V/μs,建立时间为4.1ns。研究结果表明,本MDAC能通过CFCS技术抑制电容失配误差,通过运放共享技术降低系统功耗,并达到了12位100MSPS流水线ADC的系统指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 论文的主要内容
• 第二章 流水线ADC中MDAC模块的原理与分析
• 2.1 流水线ADC的基本工作原理
• 2.1.1 流水线ADC的基本结构
• 2.1.2 冗余位校正
• 2.2 MDAC的基本结构
• 2.3 MDAC误差分析
• 2.3.1 KT/C噪声
• 2.3.2 电容失配
• 2.3.3 运放的有限直流增益
• 2.3.4 不完全建立误差
• 2.3.4.1 一阶系统的建立
• 2.3.4.2 二阶系统的建立
• 第三章 用于MDAC低功耗设计的运放共享技术
• 3.1 12位100MSPS流水线ADC系统结构
• 3.2 运放共享（Opamp Sharing）技术
• 3.2.1 运放共享技术的缺点
• 3.2.2 基于FSPI技术的改进
• 3.2.3 FSPI技术原理分析
• 3.3 电容逐级缩减技术
• 3.4 运放指标确定
• 第四章 用于MDAC高精度设计的CFCS技术
• 4.1 CFCS技术的基本原理
• 4.1.1 仅使用冗余位校正的1.5位MDAC
• 4.1.2 基于CFCS的1.5位MDAC
• 4.1.3 基于CFCS的2.5位MDAC
• 4.2 基于CFCS的MDAC电路实现
• 4.2.1 基于CFCS的MDAC电路结构
• 4.2.2 开关电容阵列
• 4.2.3 开关控制编码电路
• 4.2.3.1 2.5位MDAC的开关控制编码电路
• 4.2.3.2 1.5位MDAC的开关控制编码电路
• 第五章 MDAC模块电路与关键单元研究
• 5.1 MDAC整体电路结构
• 5.2 跨导运算放大器（OTA）
• 5.2.1 增益自举技术原理
• 5.3.2 辅助运放的设计
• 5.3.3 增益自举总运放结构
• 5.4 共模反馈（CMFB）电路
• 5.4.1 共模反馈的基本原理
• 5.4.2 连续时间共模反馈电路
• 5.4.3 开关电容共模反馈电路
• 第六章 仿真验证与分析
• 6.1 开关控制编码电路仿真
• 6.1.1 2.5位MDAC的开关控制编码电路仿真
• 6.1.2 1.5位MDAC的开关控制编码电路仿真
• 6.2 运放频域特性仿真
• 6.3 总体仿真
• 6.3.1 没有使用FSPI技术时的仿真结果
• 6.3.2 使用FSPI技术后的仿真结果
• 6.3.3 不同输入时的仿真结果
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果