逐次逼近-流水線混合型模數(shù)轉(zhuǎn)換器研究.pdf

1、隨著CMOS工藝的不斷進(jìn)步，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，越來(lái)越多的模擬電路被數(shù)字電路所替代。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為連接模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的橋梁，其性能的高低直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。在便攜式電子應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)ADC的性能要求不斷提高，傳統(tǒng)ADC結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足系統(tǒng)的要求，新結(jié)構(gòu)的研究變得很有意義。逐次逼近-流水線混合型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(pipelined SAR ADC)是一種結(jié)合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(pipeline ADC)和逐次逼近

2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)的新型ADC結(jié)構(gòu)，其在速度、功耗、線性度和面積上有更好的折衷，已經(jīng)得到了廣泛地研究。增益數(shù)模單元(MDAC)是 pipelined SAR ADC的核心功能模塊，決定了pipelined SAR ADC的性能，對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究很有意義。
　　本文首先對(duì)pipelined SAR ADC的整體結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)增益數(shù)模單元(MDAC)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。在分析傳統(tǒng)基于運(yùn)算放大器的開(kāi)關(guān)電容 MDAC的工作

3、原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于過(guò)零檢測(cè)器的開(kāi)關(guān)電容 MDAC，以滿足pipelined SAR ADC的要求。與基于運(yùn)算放大器的開(kāi)關(guān)電容MDAC相比，基于過(guò)零檢測(cè)器的開(kāi)關(guān)電容MDAC采用過(guò)零檢測(cè)器和電流源代替運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，從而降低了功耗和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。然后，論文分析了基于過(guò)零檢測(cè)器的pipelined SAR ADC的主要非理想因素，并提出了解決方案。在此基礎(chǔ)上，論文從線性度、功耗和速度方面對(duì)基于過(guò)零檢測(cè)器的pipelined S

4、AR ADC進(jìn)行了分析，并通過(guò)matlb建模對(duì)其電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，本文在SMIC0.18μm CMOS工藝下設(shè)計(jì)了一款10位50MS/s基于過(guò)零檢測(cè)器的逐次逼近-流水線混合型ADC。所設(shè)計(jì)的ADC采用“5+6”的兩級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，通過(guò)冗余位數(shù)字校正算法得到10位量化精度，并采用了多項(xiàng)技術(shù)來(lái)提高性能。其中，級(jí)間增益減半技術(shù)使得MDAC的增益和第二級(jí)流水線級(jí)的量化范圍減半，以降低功耗和電流源的設(shè)計(jì)難度。單向雙階段電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)通過(guò)使

5、用大/小電流源和電平轉(zhuǎn)移電容，在保證電荷轉(zhuǎn)移速度的同時(shí)減小了電荷轉(zhuǎn)移結(jié)束時(shí)刻的電流大小，從而減小過(guò)零檢測(cè)器和電流源引入的過(guò)沖誤差和非線性誤差。虛擬共源共柵電流源結(jié)構(gòu)提高了電流源的線性度和差分匹配度，且不會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。逐次逼近動(dòng)態(tài)控制邏輯技術(shù)通過(guò)使用動(dòng)態(tài)邏輯單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)移位寄存器和觸發(fā)器，提高了速度并降低了功耗和電路面積。兩級(jí)全動(dòng)態(tài)比較器結(jié)構(gòu)提高了比較器的比較速度，并且不會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)功耗。電路仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的pipelined SA