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14比特50M采样率的Pipeline ADC设计研究

作　者: 廖宝斌
导　师: 吴志明
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 流水线模数转换器 功耗优化 数字校准 Matlab建模
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要


随着数字信号处理、通信技术高速发展，对作为模拟信号与数字信号接口的模数转换器的也提出越来越高的要求，主要表现为高速度、高精度及低功耗的设计。而流水线模数转换器（PipelineADC）是高速与高精度最好的折中，所以本文详细研究了Pipeline ADC的功耗优化设计及其数字校准的系统级设计，再根据系统提供的设计参数进行电路原理图设计。运放的有限增益、有限单位增益带宽、失调电压及非线性的误差、电容的失配误差、开关电阻的误差、kT/C噪声及时钟抖动噪声等非理想因素使得PipelineADC的性能下降。本论文通过详细分析Pipeline ADC子级电路中的各种非理想因素，并对其进行Matlab建模，了解各种因素对整个ADC的影响及确定它们在电路中的影响程度。基于此模型，对整个Pipeline ADC进行功耗优化设计，得出最优化功耗的Pipeline ADC与各个子模块电路的设计参数。为了进一步降低功耗及减小工艺本身存在的误差，采用了基于伪随机数相关性原理的数字后台自校准技术，根据伪随机信号与输入信号的不相关性及其自相关特性提取Pipeline ADC子级的线性误差，并在数字域校准这些误差。本文设计了14比特50M采样率Pipeline ADC，在特定的工艺条件下，根据Matlab模型的仿真结果确定了系统由2级2.5比特、10级1.5比特和1级2比特组成，其中前两级采用数字后台校准技术，最后2比特用于数字校准，在引入1%的电容失配的情况下，仿真对比表明该算法使得系统DNL、INL分别提高了0.25LSB和16.5LSB，SFDR提高了13.4dB。同时，编写了verlog代码以便与电路进行联合仿真，通过仿真也获得了与Matlab一样的效果。最后，根据系统仿真提供的电路设计参数，采用0.35μm CMOS工艺设计了一个带数字后台校准的ADC，并通过对ADC电路的整体仿真，得到DNL为-0.175LSB，INL为1.625LSB，ENOB为13.21bit，SFDR为100.01dB，THD为97.46dB。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 模数转换器的概况  11-12
  1.2 Pineline ADC 的发展现状  12-15
    1.2.1 Pipeline ADC 的国外发展现状  12-14
    1.2.2 Pipeline ADC 的国内发展现状  14-15
  1.3 论文研究的目的及意义  15-16
  1.4 论文结构及内容安排  16-17
第二章 PipelineADC 的基本原理  17-37
  2.1 引言  17
  2.2 模数转换器的主要性能参数  17-20
    2.2.1 静态特性参数  17-19
    2.2.2 动态特性参数  19-20
  2.3 Pipeline ADC 基本原理的数学分析  20-22
  2.4 2.5 比特子级单元分析  22-25
  2.5 Pipeline ADC 误差分析  25-36
    2.5.1 ADC 的等效输入误差  25-26
    2.5.2 子 ADC 误差分析  26-27
    2.5.3 MDAC 误差分析  27-31
    2.5.4 ADC 噪声分析  31-34
    2.5.5 Pipeline ADC 误差分析总结  34-36
  2.6 总结  36-37
第三章 PipelineADC 的功耗优化设计  37-51
  3.1 引言  37
  3.2 功耗模型建立分析  37-44
    3.2.1 运放大信号建立过程  37-41
    3.2.2 基于电容缩放技术的各因素与功耗关系分析  41-44
  3.3 基于功耗优化的电路参数优化分析  44-45
  3.4 Pipeline ADC 功耗优化方法设计及结果分析  45-50
    3.4.1 ADC 功耗优化方法  45-48
    3.4.2 ADC 功耗优化仿真结果分析  48-50
  3.5 总结  50-51
第四章 结合数字校准的 PipelineADC 设计  51-71
  4.1 校准技术概论  51-54
    4.1.1 激光微调技术  51
    4.1.2 特殊结构的补偿技术  51-52
    4.1.3 自校准技术  52-54
  4.2 本论文采用的校准技术分析  54-70
    4.2.1 本论文采用的数字后台自校准原理  55-59
    4.2.2 基于数字后台自校准技术的 Pipeline ADC 的 Matlab 建模  59-66
    4.2.3 Pipeline ADC 仿真结果及分析  66-69
    4.2.4 Modelsim 建模与结果分析  69-70
  4.3 总结  70-71
第五章 14 比特 50M 采样率的 PipelineADC 电路设计  71-83
  5.1 Pipeline ADC 电路设计概论  71
  5.2 带隙基准电路的设计  71-73
  5.3 MDAC 中运放的电路设计  73-76
  5.4 比较器的电路设计  76-77
  5.5 开关管的电路设计  77-79
  5.6 时钟产生电路的设计  79-80
  5.7 Pipeline ADC 整体电路的设计  80-81
  5.8 总结  81-83
第六章 总结与展望  83-85
  6.1 工作总结  83-84
  6.2 未来展望  84-85
致谢  85-86
参考文献  86-91
攻读硕士期间取得的研究成果  91-92

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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