基于InP HBT工艺的高速折叠内插ADC的研究和设计

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模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)可以将模拟信号转变为易于计算机处理的数字信号,在信号处理系统中起着至关重要的作用。随着人们越来越追求快速地处理信息,高速ADC成为了模数转换器的一个重要分支,而折叠内插ADC有着堪比全并行ADC的处理速度,同时其电路规模和功耗却相对较小,是高速ADC中的重要研究对象。由于异质结晶体管(HBT)相比CMOS晶体管有着更高的截止频率,广泛的应用于超高速ADC的设计,因而,本文基于1.5μm的InP HBT工艺,设计了一款转换精度为8bit、采样速率为6GHz的高速折叠内插ADC。这款ADC采用全差分电路结构和全NPN管进行设计,整体框架为3-bit的粗量化和5-bit的细量化,主要电路有采样保持电路、粗量化器和细量化器,其中细量化器包括折叠内插电路、比较器电路和细量化编码电路。由于所用工艺的晶体管的电流放大系数β较小,相同射极电流的情况下基极电流过大,而折叠放大器过大的基极电流流入参考电阻串会对过零点的精确性产生影响,从而影响ADC的有效位数。针对基极电流的问题,对折叠放大器进行了一定的改进,在折叠放大器和参考电阻串之间增加射随器电路,此射随器的尾电流可以设计得比较小,因而其基极电流也会比较小,从而减小了由基极电流引起的过零点偏差。在比较器电路中,增加了预放大电路并采用两级锁存的电路结构,这不仅可以提高比较器分辨小电压的能力,而且还能有效的改善比较器的亚稳态以及提高比较器的噪声性能。在细量化编码电路中,比较器输出的温度计码可能会产生错误的码字,为了减小比较器的误码率采用了气泡码校正电路。对设计的ADC进行仿真验证,在采样频率6GHz、电源电压5V、输入信号满摆幅1.6V、输入信号频率为500MHz的条件下,前仿真结果显示,ADC的有效位数为7.33bit,后仿真的有效位数为7.07bit,所有电路的总功耗为13W。
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