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高速高精度模数转换器中采样保持电路的研究和设计

作　者: 付大伟
导　师: 何乐年
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 流水线ADC 采样保持电路 栅自举开关 全差分运放 电容翻转结构
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


高速高精度模数转换器(ADC)是目前ADC设计的研究热点,通常采用流水线型(Pipelined)结构来实现。采样保持电路是流水线型ADC中的关键模块。它位于转换器信号处理链的最前端,它的速度和分辨率决定了整个转换器所能达到的最大转换速度和最高分辨率。本文基于TSMC0.18μmCMOS混合信号标准工艺,研究和设计了一种应用于14位100MSPS的高速高精度流水线型ADC的采样保持电路。本论文主要研究和分析了流水线型模数转换器中采样保持电路的相关设计技术。首先介绍了流水线型ADC的基本工作原理、采样保持电路的基本数学理论和衡量其性能的主要指标。接着,详细分析了采样保持电路的电路结构及其子电路(包括栅自举开关电路、全差分运算放大器、共模反馈电路)的结构。同时,分析了电路中的各种非理想因素对电路性能的影响,例如开关导通电阻的非线性、电荷注入效应、时钟馈通效应、运放的不完整建立,等等。然后,从电路设计的角度提出了降低非理想因素影响、改善性能的实现技术。最后,建立数学模型,计算出14位100MSPS流水线ADC对采样保持电路中各个子电路的性能要求,以此为依据设计了一种电容翻转结构的采样保持电路,并在Cadence软件平台中对其进行了仿真验证。在输入信号为一个满幅值为2Vpp、频率为10.058MHz的正弦差分输入信号时,对输出电压做1024个点的快速傅里叶变换(FFT),其输出频谱的仿真结果表明,无杂波动态范围SFDR为103.5dB,满足14位流水线ADC的设计要求,可以将此采样保持电路应用于14位分辨率、100MSPS采样率的流水线ADC中。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
目录  8-10
图目录  10-13
表目录  13-14
第1章 绪论  14-18
  1.1 课题目标及意义  14-15
  1.2 国内外研究现状与进展  15-16
  1.3 论文主要内容  16-18
第2章 模数转换器  18-29
  2.1 模数转换器概述  18-20
    2.1.1 直接量化  19-20
    2.1.2 间接量化  20
  2.2 流水线ADC的系统结构  20-29
    2.2.1 流水线子级  22-23
    2.2.2 一位冗余的RSD校正算法  23-24
    2.2.3 两位冗余的RSD校正算法  24-26
    2.2.4 两种RSD算法的比较  26-29
第3章 采样保持基础  29-35
  3.1 采样保持电路基础  29-30
  3.2 采样保持电路性能指标  30-31
  3.3 采样原理的时域和频域分析  31-35
第4章 采样保持电路的电路结构  35-57
  4.1 基本电路结构  35-37
    4.1.1 开环结构  35-36
    4.1.2 闭环结构  36-37
  4.2 采样开关电路  37-50
    4.2.1 MOS管导通电阻  40-43
    4.2.2 栅自举开关  43-48
    4.2.3 电荷注入  48-49
    4.2.4 时钟馈通  49-50
  4.3 基于开关电容电路的采样保持电路  50-52
    4.3.1 电容翻转型采样保持电路  50-51
    4.3.2 电荷重分配型采样保持电路  51-52
  4.4 算放大器的结构  52-57
    4.4.1 套筒式运放  53-54
    4.4.2 折叠共源共栅式运放  54-56
    4.4.3 小结  56-57
第5章 采样保持电路的设计与仿真  57-81
  5.1 总体设计  57-61
    5.1.1 系统结构的选择  58
    5.1.2 关键电路参数的计算  58-61
  5.2 开关电路的设计  61-65
    5.2.1 开关电路的结构  62-63
    5.2.2 仿真分析  63-65
  5.3 运算放大器的设计  65-69
    5.3.1 运算放大器的电路结构  66-68
    5.3.2 仿真分析  68-69
  5.4 电压基准源的设计  69-79
    5.4.1 高精度基准电压源的电路结构  69-74
    5.4.2 输出电压的修调电路  74-78
    5.4.3 测试结果  78-79
  5.5 采样保持电路总体仿真  79-81
    5.5.1 直流分析  79-80
    5.5.2 频域分析  80-81
第6章 总结与展望  81-82
参考文献  82-86
作者简历及在学期间所取得的科研成果  86

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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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