高速低功耗模数转换器研究与设计.pdf

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1、目录目录@录I翻1Abstract2第一章引言41.1应用背景41.2论文研究目标和组织结构61.2.1研究目标：61.2.2主要工作71.2.3论文组织结构7第二章ADC概述82.1ADC原理82.1.1ADC基本模块82.1.2采样定律82.1.3量化噪声82.2ADC性能参数92.2.1静态参数102.2.2动态参数112.2.3FoM值122.3ADC分类及比较122.3.1全并行模数转换器122.3.2折叠内插模数转换器132.3.3流水线模数转换器142.3.4Sigma-Delta过采样模数转换器15

2、2.3.5逐次比较型模数转换器162.3.6各种模数转换器性能比较16第三章四通道8bit264MS/S模数转换器设计与实现183.1整体架构设计183.2子ADC架构设计19目录3.2.1跟踪保持电路193.2.2折叠系数和内插系数203.2.3级联折叠213.2.4级间流水线开关223.2.5_电路233.2.6编码电路233.2.7架构实现243.3子ADC电路设计253.3.1前端单一跟踪保持电路253.3.2预放大器293.3.3折叠电路303.3.4级间开关313.3.5_电路323.3.6比较器343.3.7编码电路3

3、53.3.7电路仿真结果373.4版图设计383.4.1子ADC布局383.4.2隔离屏蔽393.4.3匹配393.4.4整体芯片照片403.5测试结果403.5.1封装403.5.2印刷电路板设计413.5.3测试环境413.5.4测试结果43第四章高速低功耗二进制搜索模数转换器设计454.1当前研究进展454.1.1低功耗全并行模数转换器454.1.2高速逐次比较模数转换器46目录4.1.3二进制搜索模数转换器494.1.4总结514.2系统结构设计524.3电路设计方案544.3.1电容阵列544.4.2内建阈值比较器5

4、44.4.3比较器阵列564.3.4比较器失调校准564.4系统仿真结果58第五章总结与展望595.1^595.2展望5961麵66III摘要摘要超宽带作为一种新的无线通信技术，具有诸如传输速率高、功耗低、抗干扰性强、保密性好等优点，因而成为无线通信领域的一个研究重点。一个完整的超宽带系统包括了数字基带，射频接收机和发射机，数模转换器以及模数转换器。为了满足超宽带系统带宽的需求，以及在蓬勃发展的移动通信终端市场中保持竞争力，模数转换器必须具有高釆样率同时维持较低的功耗。我国的超宽带国家标准采用双载波-正交频分复用，使用两个载波，因而需要4个模数转换器来处理

5、两路I/Q信号。基于这样的背景，本文主要工作为：(1)设计一个符合超宽带国家标准的4通道8bit264MS/折叠内插模数转换器，4个子模数转换器集成在一颗芯片上以简化整个测试系统。单个子模数转换器釆用折叠内插结构减少比较器的数量；前端使用单一跟踪保持电路，减小时钟偏差的影响；缓冲级将衬底电容与输出隔开，提高了电路的线性度；釆用级联折叠降低折叠电路功耗并提升信号通路增益；加入级间流水线幵关降低放大器的建立要求；采用有源内插来增大信号路径增益以进一步降低比较器的输入端等效失调。该模数转换器釆用0.13uml.2V/3.3V、单层多晶、八层金属混合信号CMOS工艺实现，核心电

6、路尺寸为2.46mm2,整体功耗为140毫瓦。在截取6bit数据情况下，其中一个子模数转换器在输入信号频率为2.3MHz时达到了33.7dB的信噪失真比和42.1dB的无杂散动态范围，在奈奎斯特频率输入时信噪失真比和无杂散动态范围分别为31.4dB和36.7dB。完整测试结果显示各个子模数转换器相互性能之间差距在5%以内。最后整个超宽带系统的测试表明该模数转换器能够满足系统的需求。(2)以进一步降低功耗为目标，在对当前主要的低功耗结构进行了分析以及比较后，提出了改进型二进制搜索结构,釆用两个以时间交错方式运行的电容阵列，对输入信号进行平移，这样可以固定每次比较时比较器的参

7、考电压。相比于上述的折叠内插结构，能够大幅降低功耗；相对于当前的二进制搜索结构，它既能减少比较器的数量，又能避免复杂的参考电压开关阵列。并且如果釆用内建阈值比较器的话，可以进一步省去参考电阻串，整个电路就不存在静态功耗了。设计指标为6bit500MS/S，对该结构进行了Simulink建模，仿真显示功能正常，可以进行下一步的具体电路设计。关键词：超宽带、模数转换器、低功耗、折叠、内插、流水线、二进制搜索中图分类号：TO4321AbstractAbstractAsanewwirelesscommunicationtechnolo