低功耗低电压CMOS流水线摸数转换器的结构研究与实现

论文摘要

在众多模数转换器的结构中,流水线结构是使用最为广泛的一种结构。这种结构的模数转换器可以满足大部分系统对模数转换器的性能指标如精度,速度等的要求。目前,流水线结构模数转换器已被广泛的应用于图像处理,数字接收机,通信基站,数字视频,快速以太网等等。在大部分这样的系统中,低功耗设计是系统设计中一个很重要的方面。因为低功耗对于设备或产品的便携性和电池的使用寿命起着至关重要的作用。同时为了降低成本,同一硅片上集成了越来越多的电路模块甚至整个系统也就是所谓的片上系统。这种趋势也迫使模数转换器和其它数字电路一起被集成到同一硅片上。模数转换器和数字电路共用相同大小的电源电压可以减少使用其它电路来产生不同的电压值,因而可以进一步降低成本。随着集成电路工艺的不断发展,数字电路电源电压在不断的降低。因而低电压设计也是非常的重要。本论文主要研究和设计用于视频应用,特别是欠采样应用的如数字广播电视的DVB-T和DVB-H应用的流水线模数转换器。着重设计高性能低功耗低电压的流水线模数转换器。在架构和电路上提出了若干技术来设计高性能低功耗低电压流水线模数转换器。基于这些技术的论文发表在集成电路设计领域的顶级国际会议ESSCIRC和CICC,顶级国际期刊JSSC和Analog Integrated Circuits and SignalProcessing的上面。论文研究的主要创新点包括:（1）提出了一种新的用于流水线模数转换器的前端结构。省去了传统的用于流水线模数转换器的前端采样保持电路。同时避免了传统无前端采样保持电路中存在的第一级余量增益电路和第一级子模数转换器的匹配问题。（2）使用了一组开关电路在传统的共用运放的流水线模数转换器结构中,降低了共用运放两级之间的串扰以提高这种结构流水线模数转换器的性能。（3）为套筒式增益自举运放提出了一个新的宽摆幅偏置电路,以充分的利用有限的电源电压。（4）改进了一个自举开关并将其用于底板采样开关,确保了模数转换器在信号输入频率较高时仍然有较好的性能。

论文目录

• 目录
• 英文缩写
• 符号含义
• 表总汇
• 图总汇
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究的背景和动机
• 1.2 一个模数转换器应用实例
• 1.3 论文主要工作和组织结构
• 第二章 模数转换器概述
• 2.1 模数转换的基本理论
• 2.2 低通采样和带通采样
• 2.3 模数转换器主要参数
• 2.3.1 静态参数
• 2.3.2 动态参数
• 2.4 模数转换器结构分类
• 2.4.1 全并行（Flash）ADC
• 2.4.2 两步式（Two-Step）ADC
• 2.4.3 流水线（Pipelined）ADC
• 2.4.4 逐次逼近（SAR）ADC
• 2.4.5 减加（Delta-Sigma）过采样ADC
• 2.5 总结
• 第三章 流水线模数转换器
• 3.1 数字校正算法（Digital Error Correction）
• 3.2 流水级中各子模块误差对整个转换器误差的影响
• 3.2.1 等效输入误差
• 3.2.2 子模数转换器误差的影响
• 3.2.3 数模转换器误差的影响
• 3.2.4 放大保持电路误差的影响
• 3.3 子模数转换器及其非理想因素
• 3.4 MDAC及其非理想因素
• 3.4.1 电容失配对MDAC的影响
• 3.4.2 运放失调电压对MDAC的影响
• 3.4.3 运放有限增益和寄生电容对MDAC的影响
• 3.4.4 运放有限建立时间对MDAC的影响
• 3.4.5 MDAC中的总的确定性误差
• 3.4.6 MDAC中的噪声
• 3.4.7 时钟抖动的影响
• 3.5 总结
• 第四章 流水线模数转换器的电路设计
• 4.1 运算放大器的设计
• 4.1.1 单级套筒式运放
• 4.1.2 单级折叠式运放
• 4.1.3 单级电流镜式运放
• 4.1.4 两级Miller补偿运放
• 4.1.5 有串联电阻的两级Miller补偿运放
• 4.1.6 Ahuiia补偿运放
• 4.1.7 增益自举（gain boosting）运放
• 4.2 比较器的设计
• 4.2.1 阻性比例动态比较器
• 4.2.2 电容比例动态比较器
• 4.2.3 带预放大的动态比较器
• 4.3 双相不交叠时钟产生电路
• 4.4 总结
• 第五章 低功耗低电压技术及两个ADC设计实例
• 5.1 低电压低功耗设计
• 5.1.1 低电压设计
• 5.1.2 低功耗设计
• 5.2 设计实例一:高性能视频应用的流水线模数转换器（ADC1）
• 5.2.1 ADC1架构选取
• 5.2.2 ADC1的电路设计
• 5.3 设计实例二:高性能低功耗流水线模数转换器（ADC2）
• 5.3.1 提出的ADC前端结构
• 5.3.2 降低共享运放间的串扰
• 5.4 总结
• 第六章 ADC1和ADC2的测试结果
• 6.1 ADC1的测试结果
• 6.2 ADC2的测试结果
• 6.3 总结
• 第七章 工作总结与未来工作展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介和发表作品列表
• 作者简介
• 发表作品列表