一個(gè)9bit、125MHz流水線式ADC的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、近年來，視頻信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展十分迅速，這對(duì)其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)----“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”提出了越來越高的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種通用的模數(shù)接口電路，它廣泛應(yīng)用于模數(shù)混合電路中。由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和集成電路工藝水平的推動(dòng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器正朝著更快的轉(zhuǎn)換速率、更高的精度、更低的功耗、更小的面積和更低的誤碼率等方向發(fā)展。
　　本文采用全定制自上而下的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)了一款高性能、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于高清晰數(shù)字電視芯片中的模數(shù)接口部分。在分析了模

2、數(shù)轉(zhuǎn)換基本原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)各種類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)劣對(duì)比，結(jié)合視頻系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求，本文決定采用流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與其它結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比較，流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是既能實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換速率又能達(dá)到相當(dāng)高的分辨率。在進(jìn)行速度和功耗的考量折中后，最終確定采用每級(jí)1.5位，共8級(jí)的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)3.3V、125MHz、9位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
　　為了保證所設(shè)計(jì)的流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和算法的正確性，在進(jìn)行

3、電路設(shè)計(jì)之前，本文先利用了Matlab中的系統(tǒng)建模工具Simulink對(duì)流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了系統(tǒng)行為級(jí)仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效性，評(píng)估了有可能對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)果造成影響的誤差的來源。
　　在Cadence環(huán)境下，基于TSMC0.35um3.3V CMOS模型，利用HSPICE仿真工具，本文對(duì)構(gòu)成流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的所有電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。本文主要深入研究了以下子電路和電路功能模塊：(1)非重疊時(shí)鐘電路。利用非重疊時(shí)鐘電路

4、來控制流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器各級(jí)的時(shí)序，使流水線各級(jí)交替工作。(2)模擬開關(guān)。采用CMOS互補(bǔ)開關(guān)，取代單管開關(guān)，作為開關(guān)電容電路的模擬開關(guān)。(3)運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器是流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心部件，本文采用PMOS晶體管輸入、折疊式層疊結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，運(yùn)算放大器的增益為91dB、單位增益帶寬為450MHz、擺率為500V/us。(4)比較器。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速、低功耗的比較器。它可工作在125MHz下，且具有極

5、低的靜態(tài)功耗。(5)流水線第一級(jí)采樣保持放大器。它將輸入的模擬信號(hào)在一些時(shí)間點(diǎn)上采樣，輸入至后級(jí)。(6)流水線第二至第八級(jí)MDAC。它的結(jié)構(gòu)為開關(guān)電容采樣保持放大器，它具有數(shù)模轉(zhuǎn)換、減法、放大2倍和采樣保持四項(xiàng)功能。(7)延遲對(duì)準(zhǔn)寄存器陣列。它將各級(jí)流水線的輸出數(shù)據(jù)調(diào)整同步，保證各級(jí)數(shù)字值同時(shí)進(jìn)入數(shù)字校正電路。(8)數(shù)字校正電路。將各級(jí)輸出的數(shù)字值錯(cuò)位相加，以得到最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。(9)輸出鎖存器。鎖存輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。(10)基準(zhǔn)電路。利用帶

6、隙基準(zhǔn)技術(shù)，得到一系列的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流。
　　在所有子電路設(shè)計(jì)完成后，本文對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)行了整體的仿真，分別對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器施加斜波信號(hào)和正弦信號(hào)。仿真結(jié)果表明，在125MHz采樣頻率下，當(dāng)輸入斜波信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)果正確，沒有誤碼或丟碼現(xiàn)象，INL小于1LSB，DNL小于0.6LSB；當(dāng)輸入1MHz至40MHz的正弦信號(hào)，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換后，得到了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)性能參數(shù)：無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR大