高速流水线模数转换器关键单元的研究与设计

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随着无线局域网技术(Wireless Local Area Network, WLAN)及图像视频多媒体处理技术的飞速发展,对高速ADC的需求不断增加。在众多种类的模数转换器中,流水线结构ADC能很好地兼顾速度、精度、功耗和面积的要求而倍受青眯。   本课题以提高模数转换器的转换速率为目标,在掌握流水线结构ADC工作原理的基础上,对高速流水线ADC的设计技术进行了研究,采用传统的1.5位/级流水线结构,详细讨论了MDAC电路等关键单元的设计。作为整个1.5位/级流水线结构的核心,MDAC的结构选取对整个流水线ADC的性能起着关键作用,论文中详细研究了MDAC的工作原理,从ADC的关键指标要求:速度、精度、功耗和面积等方面全方位对比传统的闭环MDAC和开环MDAC两种实现形式,最终,采用开环结构形式实现MDAC以保证较高的转换速率,运用增益控制环路调整外界温度、工艺以及寄生参数对放大器增益的影响。由于比较器的失调误差可以通过采用数字校正技术调整,所以低精度的Sub-ADC可以用功耗较低的动态比较器实现。基于SMIC0.18μm单层多晶六层金属CMOS工艺设计,利用Cadence Spectre仿真验证其性能。对仿真满足设计要求的电路模块进行版图设计,规划整体电路版图布局,最终给出后仿真结果。   本文对采样速率为200MHz,精度为8比特,电源电压为1.8V的流水线结构ADC作了电路和版图设计。芯片面积为1650μm×650μm。后仿真结果表明,静态特性DNL小于0.93LSB,INL小于1.5LSB;输入信号频率接近奈奎斯特频率100MHz、峰峰值为300mV的正弦波信号时,采集ADC的输出作FFT处理,分析其动态特性:SFDR为47dB,SNDR为44.7dB,有效位数为7.1bits,功耗为71mW。本文所设计的1.5位/级级电路可用于实现200MHz的高速流水线ADC,将多级级电路拼接,ADC精度可扩展至10bits。
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