高速高精度流水线模数转换器设计分析

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名氆显斗签字日期．加。6年1郇日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、

2、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名弗．豆；半签字日期：纱。6年2一月＼∥日导师签名：却李炙签字日期：州年户月I矿日第一章引言1．1选题的目的和意义模数转换器是混合信号处理系统中最为关键的电路之一。随着半导体工艺技术的不断发展，数字电路的性能获得了飞速提升，电路速度提高，功耗降低，芯片所实现的功能越来越强大，为了满足数字电路应用的需要，对作为自然界和数字世界接口的模数转换器的性能提出了更高的要求。特别是随着数字信号处理技术在视频处理、无线通讯等领

3、域的广泛应用，迫切需要高速高精度的模数转换器。同时，为了提高电路性能、降低成本，单芯片系统(SOC)成为必然趋势。单芯片系统的反展要求将数字、模拟电路集成在同一芯片，这就要求有小面积、低功耗的模数转换器。因此，研究如何设计能同时兼顾速度、精度、功耗、面积要求的模数转换器具有重要意义。‘长期以来，人们在模数转换器的实现上，提出了全并行、子区式、折叠差值111、△一∑【2】、流水线【3，4，5】等多种结构。全并行结构是其中速度最快、延时最小的。它通过一组比较器并行工作完成信号的转换，对比较器的个数和精度的要求随着转换器分辨率的提高呈指数增长

4、，因此不适合用在高精度场合，一般只在10位以下分辨率的转换器种使用。子区式通过将信号分步转换，在电路规模和功耗上都比全并行结构大有提高，但这是以牺牲速度为代价的。折叠差值结构改善了全并行结构电路规模指数增长的缺点，但它所采用的折叠处理技术限制了输入信号带宽，并且它对晶体管跨导匹配的高要求不适合当代的主流CMOS工艺实现。△一∑结构通过过采样和噪声整形可以获得很高的精度，现在已有的产品已经达到24位的分辨率，但这种结构不利于实现高速转换，一般只用在兆赫兹以下的场合。流水线模数转换器可以看作对子区式的改进，它每级都有采样保持电路，使得各级能

5、够并行工作，这种流水线的工作方式具有很高的效率，能够获得高数据吞吐量；另外，由于开关电容技术的使用，CMOS模拟电路性能大幅度提升，流水线模数转换器依靠高性能的CMOS模拟电路可以实现较高的分辨率。流水线模数转换器依靠其高效的工作方式，兼顾了速度、精度的要求，并且占用芯片面积小、功耗低，成为近些年来国际上研究的重点课题之一。流水线结构在设计上具有很大的灵活性，这为设计者带来了方便，但同时也带来了设计的复杂性，即如何选择最合适结构的问题。在电路实现中，流水线模数转换器的性第一章引言能主要受到一些工艺和电路非理想因素的限制，如电容失配、放大

6、器有限增益带宽、比较器失调、噪声等。基于以上的问题，流水线模数转换器的研究主要集中在两个方面：一是系统整体结构的优化[5,6,71，即如何根据设计要求选择最为合适的系统结构，在保证性能的前提下尽可能减小功耗和面积。二是内部具体电路的设计研究，主要包括放大器∞一01、比较器【ll】、MOS开判1习等。国外对流水线模数转换器的研究比较器成熟，不管在整体结构设计上还是在具体电路模块的设计上都发展了比较成熟的理论，他们已有的产品也达到了很高的性能，如14位分辨率75兆采样速率的模数转换器只有300多毫瓦的功耗，并具有良好的动态特性【l”。我国在

7、这方面的研究起步较晚，积累不够，理论研究和产品设计都远远落后于国外，鲜有创新。1．2本论文的主要贡献本论文较为系统全面地介绍了流水线模数转换器中电路设计的各个方面，主要包括如放大器，比较器、DAC，开关等电路的设计，在继承前人理论成果的基础上有一些自己的创新之处。论文最后一章给出了一款12位分辨率50兆采样速率流水线模数转换器具体电路的设计方案。论文中主要创新点有：(1)提出了一种比较直观的设计Ahuja补倒Ⅷ的两级运方的方法。该类型的放大器是流水线模数转换器设计中经常用到的结构，但是由于它本身极零点较复杂，比较难以掌握。前人总是从该放

8、大器闭环时的传输函数入手分析它的建立过程，分析得到的结果是非常复杂的公式，难以用于直观地指导设计。本文通过推导、简化该放大器的开环传输函数得到一系列简便的开环系统参数，借助于数学软件的数据处理能力将这些开环