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高速高精度流水线模数转换器设计研究

作　者: 黄显洋
导　师: 李树荣；姚素英
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 流水线模数转换器放大器比较器补偿摆率
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 330次
引　用: 2次
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内容摘要

流水线模数转换器通过分级转换、流水操作,能够兼顾速度、精度、功耗和面积的要求,在视频处理、无线通讯等领域获得广泛应用。本论文主要从深亚微米级CMOS图像传感器系统对模拟电路的需求出发,比较系统全面地介绍了流水线模数转换器设计中的关键问题:对限制系统性能的各种因素包括电容失配、放大器有限增益带宽、比较器失调、非理想开关等给出了详细的说明和推导;结合转换器系统的要求,对放大器、比较器、模拟开关等主要电路模块的设计进行了深入的分析介绍。针对12位分辨率50MS/s采样速率和良好动态特性的设计要求完成了主要电路的设计,并通过了仿真验证。论文中提出了一种比较直观的设计Ahuja补偿的两级运算放大器的方法。通过推导、简化该类型放大器的开环传输函数得到一系列反映其极零点分布的开环系统参数,借助于数学软件的数据处理能力求出开环系统参数和闭环工作时建立时间的关系并以图形显示。最终,设计者可以通过图形直观地选择最优化的开环系统参数,进而通过给出的简单公式得到放大器中器件的参数值。SPICE的仿真结果验证了该设计方法的正确性。在12位分辨率50MS/s采样速率流水线模数转换器的设计中有一些创新:采样保持放大器中采用了新颖的电位平移电路,比一般用跟随器实现的平移电路在频率特性上有一定的优势。余量放大器的设计中,在Ahuja补偿的两级放大器的基础上,加入了创新设计的摆率增强电路,提高了放大器的大信号响应特性,降低了功耗。首级MDAC中数模转换电路的设计保证了与之相连的余量放大器输入共模电平的恒定,降低了对余量放大器输入共模范围的要求。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章引言  7-10
  1.1 选题的目的和意义  7-8
  1.2 本论文的主要贡献  8-9
  1.3 论文各部分主要内容  9-10
第二章模数转换器基础知识  10-16
  2.1 理想模数转换器  10-11
  2.2 实际模数转换器的性能指标  11-16
    2.2.1 静态指标  11-12
    2.2.2 动态指标  12-16
第三章流水线模数转换器介绍  16-27
  3.1 流水线模数转换器结构和工作原理  16-18
  3.2 冗余位数字纠正  18-19
  3.3 流水线模数转换器主要误差来源分析  19-27
    3.3.1 电容失配  20-23
    3.3.2 放大器  23-24
    3.3.3 热噪声  24-25
    3.3.4 MOS 开关  25-26
    3.3.5 时钟抖动  26-27
第四章流水线模数转换器中的电路设计  27-60
  4.1 运算跨导放大器  27-49
    4.1.1 单级结构  27-33
    4.1.2 带有预放大级的两级结构  33-39
    4.1.3 Miller 补偿的两级结构  39-42
    4.1.4 Ahuja 补偿的两级结构  42-49
  4.2 比较器  49-56
    4.2.1 Thomas Cho 结构  49-51
    4.2.2 差分比较器  51-53
    4.2.3 电荷分配型比较器  53-54
    4.2.4 动态比较器总结  54-55
    4.2.5 带有预放大级的比较器  55-56
  4.3 MOS 开关  56-60
第五章 12b 50MS/s 流水线模数转换器  60-77
  5.1 整体结构设计  60-61
  5.2 系统时钟信号  61-62
  5.3 采样保持电路设计  62-68
    5.3.1 采样保持电路结构选择  62-64
    5.3.2 采样保持放大器的电路设计  64-67
    5.3.3 采样保持电路仿真结果  67-68
  5.4 第一级流水线设计  68-74
    5.4.1 数模转换电路（DAC）  68-72
    5.4.2 余量放大器  72-74
  5.5 其他各级流水线的设计  74-75
  5.6 Matlab 系统仿真  75-77
总结  77-78
参考文献  78-81
发表论文和科研情况说明  81-82
致谢  82

高速高精度流水线模数转换器设计研究

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