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适用于高精度流水线ADC的运算放大器的研究与设计

作　者: 张维琛
导　师: 李晓潮
学　校: 厦门大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 流水线模数转换器 两级增益自举运算放大器 共源共栅补偿
分类号: TN722.77
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


运算放大器电路被广泛应用于采样保持电路和乘法型数模转换器(Multiplying-DAC, MDAC)中,是流水线式模数转换器(Pipelined ADC)的核心模块之一,它的性能直接影响了流水线式模数转换器的各项关键性能指标。因此,设计实现高增益、宽带宽、低功耗的运算放大器对高转换速度、高分辨率、低功耗的流水线ADC的设计具有重要意义。为了实现高增益和输出摆幅,我们采用两级运算放大器架构,第一级采用套筒式共源共栅运算放大器,并利用增益自举技术(Gain boosting technique)来进一步提高增益,第二级采用MOS管负载的共源极运算放大器,来获得较大摆幅,为了获得更好的幅频特性,频率补偿采用了共源共栅补偿方式。本文的工作主要有以下两个方面：(1)应用0.35um/3.3V硅基CMOS工艺,设计了一款应用于流水线式模数转换器中第一级MDAC电路中的全差分、高增益的两级运算放大器,采用了共源共栅补偿技术(Cascode compensation)来进行频率补偿,通过阻断前馈通路的方式消除了右半平面低频零点,同时降低了补偿电容容值,针对两级运算放大器的频率补偿进行了零极点分析,并对电路结构做出优化,通过增加并联于输入管的分流管,提高了系统稳定性,使系统的相位裕度满足了稳定性要求。仿真结果显示整体运算放大器增益达到了93.77dB,单位增益带宽为767MHZ,相位裕度为30deg,满足了稳定性要求。(2)采用增益自举技术设计了一款单级共源共栅运算放大器,增益自举技术可以在不改变原运算放大器直流工作点的基础上提高运算放大器的增益,为了减小辅助运算放大器的引入对系统建立时间的影响,对增益自举共源共栅运算放大器的的频域模型进行建模和数值分析,优化了增益自举型运算放大器的系统建立时间,基于0.35um/3.3V硅基CMOS工艺进行了版图设计及后仿真,版图仿真结果显示运算放大器直流增益为60dB,单位增益带宽为646.6MHz,相位裕度为75.7deg。最后,本文对MPW芯片中的单级增益自举运算放大器进行了增益测试,得到其直流增益为51.4dB,与软件仿真结果基本接近。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 关键技术与研究现状  12-15
  1.3 研究工作和论文结构  15-18
第2章 流水线ADC的基本原理与性能分析  18-36
  2.1 模数转换器  18-20
  2.2 ADC性能指标  20-25
    2.2.1 静态参数  20-24
    2.2.2 动态参数  24-25
  2.3 流水线ADC基础  25-28
  2.4 MDAC电路  28-34
    2.4.1 n bit/级MDAC  28-29
    2.4.2 1.5bit/级MDAC  29-32
    2.4.3 3.5bit/级MDAC  32-34
  2.5 小结  34-36
第3章 运算放大器  36-72
  3.1 运算放大器的设计指标  36-40
    3.1.1 运算放大器的增益要求  36-37
    3.1.2 运算放大器的带宽要求  37-38
    3.1.3 相位裕度  38-39
    3.1.4 噪声影响  39-40
  3.2 运算放大器结构选取  40-46
    3.2.1 套筒式共源共栅放大器  40-42
    3.2.2 折叠式共源共栅放大器  42-44
    3.2.3 两级运算放大器  44-46
  3.3 频率补偿技术  46-64
    3.3.1 密勒补偿基本理论  47-49
    3.3.2 调零电阻分析  49-52
    3.3.3 共源共栅补偿  52-64
  3.4 增益自举技术  64-70
    3.4.1 增益自举技术原理  64-66
    3.4.2 GBCA系统零极点分析  66-69
    3.4.3 GBCA建立时间分析  69-70
  3.5 小结  70-72
第4章 运算放大器的设计实现  72-102
  4.1 偏置电路设计  72-74
  4.2 两相不交叠时钟  74-79
  4.3 开关电容共模反馈设计  79-84
  4.4 两级增益自举运算放大器设计及仿真  84-92
    4.4.1 两级运算放大器电路设计  85-86
    4.4.2 两级运算放大器仿真  86-92
  4.5 增益自举运算放大器版图设计及测试  92-99
    4.5.1 运算放大器版图设计  93-94
    4.5.2 版图后仿真分析  94-99
  4.6 运算放大器芯片测试  99-101
  4.7 小结  101-102
第5章 结论与展望  102-104
参考文献  104-110
硕士期间发表的论文  110-112
致谢  112

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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 > 放大技术、放大器 > 放大器 > 放大器：按作用分 > 运算放大器（计算放大器）
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