数字计算机技术和无线通信技术从根本上改变了人们生活和交流的方式,这些系统中的信号主要分为模拟信号和数字信号,数字计算机只能处理数字信号,但自然界中大多数有用信号都属于模拟信号,需要利用模数转换器(Analog to Digital Convert...
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数字计算机技术和无线通信技术从根本上改变了人们生活和交流的方式,这些系统中的信号主要分为模拟信号和数字信号,数字计算机只能处理数字信号,但自然界中大多数有用信号都属于模拟信号,需要利用模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)将模拟信号转换为数字信号。通信技术发展的同时也为ADC的发展带来了许多挑战,要求其能够同时达到高速度和高精度。在众多ADC架构中,流水线型ADC因其独特的优势可以同时满足高速度和高精度的要求,是高速高精度ADC的主流架构。乘法数模转换器(Multiplying Digital to Analog Converter,MDAC)作为流水线ADC中的核心模块,其精度和线性度直接决定了整体ADC的性能,因此对其工作原理深入理解和研究具有重要意义。同时比较器作为所有类型ADC中必备子模块,其设计重点会根据ADC类型而变化,流水线ADC中比较器需要拥有极低的传输延时,意味着器件尺寸不能太大,器件尺寸影响着失调,因此有必要重点对比较器失调进行验证。本文基于28 nm工艺,设计了一款12 bit,2 GSps流水线型ADC中的首级流水线,并主要对其中比较器和MDAC进行研究设计。ADC全差分输入峰峰值为1.5 V,采用无采样保持放大器结构(SHAless),主体电路由输入缓冲器(Input Buffer)和5级流水线组成,前四级均为3 bit,最后一级为4 bit快闪型(Flash)ADC,后四级每级带1 bit冗余位。本文设计的比较器和MDAC在Virtuoso平台下进行仿真验证,仿真结果表明:比较器失调电压标准差σ为8.03 m V,比较器噪声电压标准差σ(16)约为1.27 m V,3σ+3σ1小于1/2 LSB=46.875 m V。放大器增益约为73 d B,单位增益带宽约为18.25GHz。首级MDAC在近满摆幅输出下,各个工艺角仿真结果SFDR均大于69 d Bc。将首级流水线放入整体ADC进行验证,前仿真结果表明:在输入信号频率为992.1875 MHz时,各个工艺角仿真结果SFDR均大于69 d BFS,SNDR均大于61d B。在tt工艺角,60摄氏度,输入频率不大于1 GHz情况下,SFDR均大于70d BFS,ENOB均大于10 bits,经过权重误差修调之后,SFDR均大于79 d BFS,ENOB均大于11.3 bits。
随着无线通信系统及便携式视频影像设备的快速增长,如通讯中的无线局域网,消费产品中的手机、高清晰度电视等,对于低功率及高转换速率的集成电路有着不可或缺的需求。在现有的模数转换器(analog-to-digital convertor,简称ADC或A/D转换器)结构中,流水线结构在能达到高速的输入性能和快速的处理能力方面被证明是最有效的ADC结构。
本论文以提高采样速率为目标,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了一个具有12 bit,200Msps的流水线模数转换器,研究成果及创新点如下:
(1)提出了新型的基于CCⅡ的双采样保持电路,打破了传统的采样-保持-采样的模式,合理的利用了时间实现了采样-保持-采样和保持-采样-保持两种模式同时进行,实现了200Msps的采样速率。通过PSPICE仿真表明该电路具有良好的性能。
(2)提出了新型的基于CCⅡ的乘法型数模转换器(multiplying digital to analog convertor,简称MDAC)电路,实现了采样速率翻倍与电压余差值的放大,很好的实现了MDAC的功能,同时采样速率也达到了200Msps,通过PSPICE仿真表明,此MDAC电路具有高性能。本论文在提出的流水线ADC的基础上,主要研究内容包括以下几个方面:
(1)前10级用了每级1.5 bit精度,最后一级2 bit Flash ADC的流水线结构,并采用数字校正电路对各级间误差进行校正。
(2)模块电路包括双采样保持电路、Sub-ADC、Sub-DAC、时钟产生电路、延时电路和数字校正电路等。
(3)整个电路用单个时钟控制,采用时钟树来降低时钟电路的负载,同时采用双边沿D触发器实现延时电路。
(4)编码电路采用基于电流模式逻辑门电路的解码方式,将温度计码转换成二进制码,进一步提高转换速度和降低误码率。
流水线ADC仿真结果表明,12 bit ADC最高采样速率达200Msps,积分非线性和微分非线性误差分别小于0.95LSB和1.011LSB,在5MHz的正弦输入信号下,电源电压为1.8V下,功耗小于165mW。
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