一种8位1.5GSPSCMOS采样/保持电路的设计

论文摘要

模数转换器（ADC）是连接模拟世界与数字系统的桥梁,广泛应用于通信与信息系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域。受通信高频化和软件无线电等技术的驱动,ADC呈现向高速方向发展。高速ADC跟踪快速变化信号,在各个时刻对信号幅度进行数字采样,其每秒千兆采样速度保证了处理高频输入信号的良好动态性能,所以已经成为各种信号采集和处理的高性能系统的根本组成部分。未来无线数字信号处理系统的发展趋势,将使ADC在系统中的位置不断靠近射频端,所以关于超高速ADC的研究正受到业界的重视。采样/保持电路（THC）是高速ADC中最关键部分。THC通常放在ADC之前,在较短时间里完成采样一个模拟输入电压值的任务,并把该电压值保持足够长的时间,再由ADC在这段时间里完成量化和编码操作,以获得更高的技术指标,如速度、精度等。THC可以用在任何需要保持信号瞬时值的地方。大部分数据采集系统都必须使用采样/保持电路,尤其是高速数据采集系统。THC设计的好坏将直接影响到整个ADC的性能,所以关于THC的研究对于提ADC性能是非常有要的。本课题顺应了产业界对高速ADC的研究趋势,针对高速THC进行了相关的研究。首先介绍了课题研究背景,包括国际半导体市场发展趋势以及数据转换器发展;国际产业界及学术界对于高速ADC和高速THC的发展和研究现状。其次介绍了ADC工作原理,对比了高速ADC常用结构的特性。再次描述了THC的基本原理,包括传统的开、闭环结构比较,THC四种传输模式的特性以及工艺的选择。最后提出了一种时间交织型两级THC。本设计采用0.18μm一层多晶五层金属的标准CMOS工艺,1.9V单电源电压供电,Cadence仿真结果显示,在1.5GSPS的采样频率下,采用相干采样的方式,输入1Vpp的正弦波时,该THC的SFDR为67.69dB,THD为-67.44dB dB,远大于8位的分辨率的设计要求。流片测试结果显示,采用奈奎斯特采样,在1.5 GSPS的采样频率下,整体模/数转换器的SFDR为45.79dB,THD为-42.05dB dB,有效位数为6.60bit。本THC的性能在速度和精度上都可比拟于众多的双极工艺的设计,可以作为前端THC应用到Flash和折叠/插值ADC结构中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 国际半导体市场发展趋势
• 1.1.2 数据转换器发展
• 1.1.3 高速模数转换器（ADC）研究现状
• 1.1.4 高速采样/保持电路（THC）研究现状
• 1.2 课题来源和意义
• 1.3 论文研究内容和架构
• 第二章 模数转换器（ADC）概述
• 2.1 ADC的基本原理
• 2.2 ADC的性能参数
• 2.2.1 动态性能参数
• 2.2.2 静态性能参数
• 2.3 高速ADC性能比较
• 第三章 采样/保持电路（THC）工作原理
• 3.1 采样基本原理
• 3.1.1 基带采样（奈奎斯特采样或临界采样）
• 3.1.2 带通欠采样
• 3.1.3 过采样
• 3.2 采样/保持电路（THC）的基本原理
• 3.2.1 基本原理
• 3.3 采样/保持电路（THC）的基本结构
• 3.3.1 传统开环结构
• 3.3.2 传统闭环结构
• 3.4 采样/保持电路（THC）的特性
• 3.4.1 采样模式特性
• 3.4.2 采样-保持过渡模式特性
• 3.4.3 保持模式特性
• 3.4.4 保持-采样过渡模式特性
• 3.4.5 各阶段特性总结
• 3.5 采样/保持电路（THC）工艺的选择
• 第四章 8 位1.5GSPS CMOS采样/保持电路设计
• 4.1 输入多路复用器（MUX）
• 4.1.1 输入开关
• 4.2 时间交织采样/保持电路
• 4.2.1 分时采样技术
• 4.2.2 第一级采样开关
• 4.2.3 第二级自举采样开关
• 4.2.4 解决开关时钟馈通技术
• 4.2.5 缓冲器设计技术
• 4.2.6 自校正失调补偿技术
• 第五章 仿真结果及版图设计与封装
• 5.1 前仿结果
• 5.2 后仿结果
• 5.3 版图设计
• 5.4 器件封装与测试
• 第六章 结论及进一步工作
• 6.1 结论
• 6.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果