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低功耗14位10MS/s流水线ADC设计

作　者: 周佳宁
导　师: 李荣宽
学　校: 电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 低功耗设计流水线模数转换器去除前端采样保持电路运放共享
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

模数转换器(Analog-to-Digital Converters, ADC)是现代模拟／混合信号集成电路(IC)的重要组成部分。除了其静态参数和动态参数外,功耗是强调便携性的应用环境中首要关注的指标。流水线结构已经被证明是应用于中高精度、高速环境中比较有效的一种ADC结构,比如应用于数字通信系统、视频系统和光纤陀螺系统等。光纤陀螺由于能够检测高准确的角速度而被广泛应用,且仅工作于约10MS/s的中等采样频率。因此,对于中等采样频率的要求,本论文的设计目标是实现一个应用于光纤陀螺系统的低功耗流水线ADC。ADC的功耗主要消耗在前几级模块,包括前端采样保持电路模块和前几级的MDAC模块。而一部分功耗则被每个流水级中用来驱动电容负载的运放所消耗。因此,仔细考虑上述问题对于设计低功耗ADC来说是必要的。本文提出了一种应用于光纤陀螺的低功耗流水线ADC的系统结构。主要包括：优化选取流水级精度、去除前端采样保持模块、共享相邻流水级之间的运放和逐级递减采样电容的尺寸。而且设计实现用于各个流水级中的低功耗运放进一步降低流水线ADC的功耗。本文在0.5μm BiCMOS工艺下实现了低功耗14位10MS/s流水线ADC。当电源电压为5V时,仿真结果证明ADC的ENOB达到13.50位,SNDR达到83.02dB,SFDR达到89.93dBc,且其消耗的功耗为52mW。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 研究应用背景  9-10
  1.2 国内外研究进展  10-14
  1.3 主要工作及论文组织结构  14-16
第二章流水线模数转换器概述  16-44
  2.1 模数转换器的主要参数  16-21
    2.1.1 静态参数  16-20
    2.1.2 动态参数  20-21
  2.2 模数转换器结构简介和对比  21-27
    2.2.1 全并行模数转换器  22-23
    2.2.2 两步式模数转换器  23-24
    2.2.3 流水线模数转换器  24-25
    2.2.4 逐次逼近模数转换器  25-26
    2.2.5 过采样模数转换器  26-27
    2.2.6 模数转换器应用环境对比  27
  2.3 流水线模数转换器结构  27-44
    2.3.1 采样保持电路  27-29
    2.3.2 1.5位/级增益余量放大器  29-31
    2.3.3 2.5位/级增益余量放大器  31-33
    2.3.4 子模数转换器  33
    2.3.5 非理想因素及影响  33-44
      2.3.5.1 电容失配  34-35
      2.3.5.2 运放的有限直流增益  35-37
      2.3.5.3 运放的有限单位增益带宽  37-38
      2.3.5.4 噪声  38-44
第三章低功耗14位10 MS/S流水线ADC实现方案  44-62
  3.1 采样电容逐级递减  44-49
    3.1.1 采样电容递减因子  44-45
    3.1.2 1.5位/级MDAC电容递减  45-46
    3.1.3 14位ADC电容递减方案  46-49
  3.2 级精度选取  49-53
    3.2.1 2.5位/级MDAC的优势  49-51
    3.2.2 首级精度选取  51-52
    3.2.3 14位ADC的系统架构  52-53
  3.3 去除前端采样保持电路  53-55
    3.3.1 孔径误差  54-55
    3.3.2 RC时间常数匹配方法  55
  3.4 运放共享  55-58
    3.4.1 运放共享的MDAC  56-57
    3.4.2 记忆效应  57-58
  3.5 数字误差校正算法实现  58-62
    3.5.1 14位ADC校正算法推导  59-61
    3.5.2 数字校正逻辑的加法实现  61-62
第四章 14位10 MS/S流水线ADC设计  62-75
  4.1 第一个流水级设计  62-71
    4.1.1 栅压自举开关设计  62-64
    4.1.2 2.5位/级MDAC设计  64-65
    4.1.3 运算放大器设计  65-69
    4.1.4 子ADC和比较器设计  69-71
  4.2 两相不交叠时钟设计  71-72
  4.3 数字对齐及校正电路设计  72-73
  4.4 参考电压输出缓冲器设计  73-75
第五章流水线ADC仿真结果  75-83
  5.1 流水线ADC输出波形  75-77
    5.1.1 输入信号为斜波时的输出波形  75-76
    5.1.2 输入信号为正弦波时的输出波形  76-77
  5.2 ADC动态参数分析  77-80
    5.2.1 输入信号频率与动态参数的关系  77-78
    5.2.2 温度与动态参数的关系  78-79
    5.2.3 工艺角与动态参数的关系  79-80
  5.3 14位流水线ADC功耗性能比较  80-83
第六章总结与展望  83-85
  6.1 工作总结  83
  6.2 未来工作展望  83-85
致谢  85-86
参考文献  86-91
攻硕期间取得的研究成果  91

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