高速高精度流水线模数转换器低功耗前端设计——硕士论文

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1、高速高精度流水线模数转换器低功耗前端设计培养单位：微电子与纳电子学系工程领域：集成电路工程申请人：指导教师：年月高性能低功耗流水线模数转换器的研究摘要摘要作为信号处理电路，模数转换器在模拟世界与数字世界之间扮演着十分重要的角色，是连接两个世界的桥梁。随着通信、图像处理及雷达等产业的飞速发展，高性能的处理器对模数转换器提出了更高的要求。同时，单个芯片中能够集成越来越多的功能模块，这意味着功耗也成为数据转换器的一大挑战。因此，高性能和低功耗的模数转换器成为当今学术和工业界研究的热点。流水线结构仍然是高速高精度模数转换器的首选结构，在流水

2、线结构中，由采样保持和第一级级电路组成的模拟前端对整体精度和功耗有决定性作用，是最关键最核心的电路模块。本文针对前端电路的设计技术展开研究：首先，介绍了学术及工业界高性能模数转换器的研究现状及重要技术。并且总结了流水线型模数转换器在电路设计过程中存在的各类非理想因素。针对这些非理想因素，对已有的解决方案和关键技术进行了研究和总结。在此基础上，基于TSMC180nm工艺，设计了一款分辨率为14bit，采样率为250MHz的高性能流水线模数转换器，重点在前端电路中进行电路优化和创新，包括：（1）提出一种新的前端电路时序方案。配合动态比较

3、器，在不增加时钟脉冲的前提下，能够有效减小因信号通路失配造成的孔径误差。由于，电路采用动态比较器结构，因此功耗大大降低。（2）根据电路失调、功耗和噪声等因素，优化前端电路分辨率。（3）根据不同工艺角特点，设计增益可调运算放大器，使其在不同条件下保持较好线性度。（4）设计阈值电压可调电路，通过阈值补偿消除比较器失调电压。最后，完成整体电路的设计和版图。本芯片采用1.8V供电，整体数据转换器面积约为2mm×3mm，核心级电路面积为2mm×0.7mm。对电路提取寄生电容仿真，在输入信号为30MHz时，有效分辨为12.29bit，SFDR为

4、90.08dB，SNDR为75.76dB。在输入信号为118MHz时，有效分辨为12.07bit，SFDR为84.77dB，SNDR为74.44dB。仿真结果表明，电路能够达到设计要求。本文另一个内容是对10bit120MS/s流水线模数转换器和14bit250MS/s流水线模数转换器两款芯片进行测试。其中，第一款芯片由于采样速率较低，采用逻辑分析仪测试。在输入信号为4.9MHz时，有效分辨率可以达到8.9bit，SFDR为74dB，SNDR为55.34dB。此款电路设计与AD9218兼容，并且在相同条件下测试性能优于AD9218，

5、具有一定商用价值。第二款芯片由于采样速率较高，因此采用VI摘要LVDS+FPGA采集数据进行测试。输入信号为15.5MHz时，不进行校准情况下，SNDR为67.75dB，SFDR为82.43dB。芯片采用前台校准后，SNDR可以提升到68.54dB，SFDR高达95.11dB。关键词：高性能；低功耗；无采样保持放大器；孔径误差；测试方法VIAbstractAbstractAsasignalprocessingcircuit,dataconverterisanimportantrolebetweenanaloganddigitalwo

6、rld,whichisthebridgeconnectingtoworlds.Withtherapiddevelopmentofcommunication,imageprocessing,andradar,highperformanceprocessorsrequireshigherperformancedataconverter.Meanwhile,asinglechipcanbeintegratedmorefunctionalmodules,whichmeansthatthepowerconsumptionofthedataco

7、nverterhasbecomeamajorchallenge.Thus,highperformanceandlowpowerdataconvertersbecomethehotspotofacademicandindustrialresearch.Pipelinedarchitectureisthefirstchoiceofhighspeedandhighresolutiondataconverter.InthepipelinedADC,SHAandthefirststageisthekeyofwholesystem.Anditd

8、eciedesthechip`sresolutionandconsumption.Thispaperdedicatestherelatedtechnologiesstudyforthefrontstageofhigh-speedhig