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一种高速高精度采样/保持电路的设计与实现

作　者: 王海柱
导　师: 杨建红
学　校: 兰州大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 采样/保持电路 流水线模数转换器 双极工艺 无杂散动态范围 建立时间
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


现代通讯系统的发展持续不断地推动着模数转换器(ADC)向高速、高精度、高无杂散动态范围(SFDR)以及低功耗的方向发展。流水线型模数转换器以其优越的性能成为高速、高精度模数转换器的主流,其中采样/保持电路作为前置模块对模数转换器的性能有着决定性影响,它的设计也是整个模数转换器电路设计工作中极其重要的一个环节。随着对模数转换器要求的提高,也要求其前端的采样/保持电路具有高速、高精度、高无杂散动态范围(SFDR)、低功耗的性能。本论文首先对采样保持电路的研究动态、发展方向、基本理论做了综述,然后在对流水线模数转换器和采样/保持电路之间的关系,以及采样/保持电路常用结构的介绍、分析的基础上,设计了一款用于14位80MS/s流水线模数转换器的采样/保持电路。该电路的结构为基于AB类缓冲器的全差分开环结构,包括输入缓冲器、采样电容、输出缓冲器以及控制时钟发生电路四个模块。在采样/保持电路中设计了钳位电路来消除采样/保持电路在保持模式下的信号馈通;在保持电容之前增加带宽限制电阻限制噪声带宽,提高了信噪失真比和有效精度;择优选取保持电容和偏置电流的大小以及晶体管的尺寸和类型,改善采样/保持电路的性能。电路设计完成后,进行了采样/保持电路的版图设计。在Cadence环境下基于Zarlink 0.6um互补双极工艺模型,采用Spectre对电路进行了模拟仿真。仿真结果表明,在5V电源电压下,当输入频率为39.9609MHz、幅度为1V的正弦波,采样频率为80MHz时,该采样/保持电路的建立时间为1.55ns,无杂散动态范围(SFDR)92.81 dB,信噪失真比(SNDR)92.28dB,有效精度(ENOB)15位,功耗39.76mW。结果显示设计的采样/保持电路完全满足ADC的系统要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-12
  1.1 课题的目标及意义  9-10
  1.2 国内外研究状况  10-11
  1.3 研究范围和主要内容  11-12
第二章 采样/保持电路的基本理论  12-25
  2.1 采样/保持电路基础及性能指标  12-17
    2.1.1 基于时域的采样/保持电路静态指标  13-14
    2.1.2 基于频域的采样/保持电路动态指标  14-15
    2.1.3 采样/保持电路性能指标的计算  15-17
  2.2 采样保持信号的时域和频域分析  17-19
  2.3 采样/保持电路的噪声与谐波失真  19-22
    2.3.1 采样/保持电路的噪声  19-21
    2.3.2 采样/保持电路的谐波失真  21-22
  2.4 流水线型模数转换器与采样/保持电路  22-25
    2.4.1 典型流水线模数转换器的架构  22-23
    2.4.2 流水线型ADC系统指标  23-24
    2.4.3 采样/保持电路性能指标  24-25
第三章 采样/保持电路的结构  25-35
  3.1 开环结构  25-31
    3.1.1 基于二极管桥开关的S/H电路  26
    3.1.2 基于射随器开关的S/H电路  26-27
    3.1.3 基于AB类缓冲器的S/H电路  27-28
    3.1.4 基于米勒电容的S/H电路  28-31
  3.2 闭环结构  31-34
    3.2.1 电荷传输型采样/保持电路  32-33
    3.2.2 电容翻转型采样/保持电路  33-34
  3.3 差分电路结构的优点  34-35
第四章 采样/保持电路的设计与实现  35-48
  4.1 总体电路设计  35-36
  4.2 采样/保持电路的实现  36-38
  4.3 时钟发生电路设计  38-40
  4.4 电路参数的讨论  40-44
    4.4.1 晶体管的选择  40-41
    4.4.2 保持电容的CH值  41-42
    4.4.3 带宽限制电阻  42-43
    4.4.4 偏置电流  43
    4.4.5 线性度  43-44
  4.5 版图设计  44-48
    4.5.1 版图设计流程  44
    4.5.2 设计规则  44-45
    4.5.3 布局和布线  45-46
    4.5.4 干扰问题及匹配度问题  46
    4.5.5 版图实现  46-48
第五章 仿真结果及分析  48-54
  5.1 时钟发生电路的瞬态结果分析  48-49
  5.2 采样/保持电路的仿真结果  49-54
    5.2.1 输入输出缓冲器  49-50
    5.2.2 采样/保持电路的瞬态输出结果  50-51
    5.2.3 采样/保持电路的动态特性  51-53
    5.2.4 采样/保持电路的总体指标  53-54
第六章 结论  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-59
攻读硕士期间取得的研究成果  59

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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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