高精度低功耗流水线型CMOS模数转换器的设计

发布时间：2017-03-21 10:09

  本文关键词：高精度低功耗流水线型CMOS模数转换器的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着通信网络和物联网的发展,无线通信系统的需求愈来愈多。低功耗超高频RFID技术在这种背景之下,逐渐成为研究热点。RFID技术具有低功耗、高速率和低成本等优点,在物联网、通信、数字视频信号处理以及高速以太网中都有广泛的应用前景。基于RFID系统高速率、低功耗的设计目标,本文设计了一种高精度高采样率低功耗的模数转换器(ADC)。本文模数转换器的设计采用流水线型的结构,这种设计可以满足超高频RFID系统的高采样率和低功耗的设计要求。在本文的设计中,详细地分析了流水线模数转换器各个模块的电路组成以及限制流水线模数转换器性能的影响因素,包括增益自举型运算放大器、栅压自举开关、动态比较器以及提供稳定参考电压的带隙基准和线性稳压电路。在流水线模数转换器的电路结构上,本文选择了1.5比特／级的量化结构,多余的冗余位使流水线模数转换器实现了自校准的功能。通过使用运放共享和负载电容按比例缩小技术,减少了模数转换器中运放的数目及其负载电容的大小,从而减小了流水线模数转换器中运算放大器的功耗,实现低功耗的设计目标。对于运放共享结构设计,本文将采样保持电路和第一级余量增益电路进行运放共享,后面8级余量增益电路的相邻两级实现了两两运放共享,最后一级通过全并行模数转换器实现2比特的量化输出。在本文的设计中,还对实际系统应用的电源稳定性和温度补偿做了分析,使得本设计的模数转换器在电源电压2.0V-3.3V范围内,核心流水线模数转换器有1.8V的稳定供电电压。本文通过采用流水线结构,设计了1.8V电源电压下基于TSMC 0.18μm 1P4M CMOS工艺的11位100MS/s采样率的模数转换器。通过采用运放共享技术实现了芯片功耗和面积的减少与优化。本文采用了改进型栅压自举开关,来提高开关的线性度和分辨率,以及通过设计增益自举运放来提高运放增益。ADC核心的版图面积是0.65mm2,核心功耗为52mW。采样频率为100MS/s时,10MHz输入信号下,SFDR达到78dB,SNDR达到66.6dB,有效位数达到10.8位。
【关键词】：运放共享 低功耗 流水线型模数转换器 增益自举运算放大器 动态比较器
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN792
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 模数转换器的发展现状11-14
• 1.3 本文的工作和组织结构14-16
• 第2章 模数转换器概述16-29
• 2.1 模数转换器的工作原理16-18
• 2.2 低通采样和带通采样18-20
• 2.3 模数转换器相关性能指标和参数20-22
• 2.3.1 静态参数20-21
• 2.3.2 动态参数21-22
• 2.4 模数转换器的分类及其发展22-29
• 2.4.1 全并行模数转换器22-23
• 2.4.2 时间交织模数转换器23-24
• 2.4.3 流水线型模数转换器24-26
• 2.4.4 逐次逼近式模数转换器26-27
• 2.4.5 ∑-△模数转换器27-29
• 第3章 流水线模数转换器系统设计29-48
• 3.1 数字自校准算法29-35
• 3.1.1 1.5 比特/级数字自校准算法30-34
• 3.1.2 数字自校准算法的MATLAB仿真34-35
• 3.2 基于运放共享技术的流水线模数转换器结构35-46
• 3.2.1 采样保持电路36-38
• 3.2.2 余量增益电路38-39
• 3.2.3 采样保持与余量增益共享运放39-40
• 3.2.4 误差分析40-46
• 3.3 电路指标46-48
• 第4章 流水线模数转换器的电路设计48-80
• 4.1 运算放大器的设计48-65
• 4.1.1 基于g_m/I_D的运算放大器设计48-49
• 4.1.2 带增益自举的直筒式共源共栅结构运算放大器49-57
• 4.1.3 密勒补偿型的运算放大器设计57-62
• 4.1.4 单端电流镜运算放大器的设计62-65
• 4.2 比较器的设计65-67
• 4.3 开关的设计67-70
• 4.3.1 NMOS开关68
• 4.3.2 CMOS开关68-69
• 4.3.3 栅压自举开关69-70
• 4.3.4 改进型的栅压自举开关70
• 4.4 两相不交叠时钟产生电路70-72
• 4.5 低压差线性稳压器72-76
• 4.6 带隙基准电路76-80
• 第5章 版图设计与仿真结果80-87
• 5.1 版图设计80-83
• 5.2 流水线模数转换器的仿真结果83-86
• 5.3 电路的改进86-87
• 第6章 总结与展望87-89
• 6.1 总结87-88
• 6.2 展望88-89
• 参考文献89-97
• 致谢97-98
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果98

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张中平;∑-Δ模数转换器的原理及应用[J];电子器件;2003年04期

2 ;计量秤应用的低成本2-通道模数转换器[J];电子产品世界;2004年04期

3 Len Staller;了解模数转换器规格[J];世界电子元器件;2005年10期

4 吴春瑜;佟波;王继安;李文昌;李威;;一种八位并行插值型模数转换器的设计[J];辽宁大学学报(自然科学版);2009年04期

5 ;ISLA112P50:500MSPS模数转换器[J];世界电子元器件;2010年09期

6 刘洋;蔡啸;;简述选择模数转换器时的技术指标与注意事项[J];河南科技;2013年10期

7 惠长坤;;模数转换器输入通道的扩充及其它[J];微型机与应用;1987年05期

8 ;转换器[J];电子科技文摘;2000年12期

9 ;24位模数转换器切入市场[J];世界产品与技术;2001年02期

10 王晓东,孙雨南;光学模数转换器的原理及发展[J];电讯技术;2002年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 刘红忠;吴金;钱黎明;;一种改进的流水线模数转换器的建模方法[A];第十届中国科协年会论文集（四）[C];2008年

2 陈睿;陆妩;任迪远;郑玉展;王义元;费武雄;李茂顺;兰博;崔江维;;10位双极模数转换器的电离辐射效应[A];第十五届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集[C];2010年

3 周涛;许建平;贺明智;;适用于高频开关电源数字控制器的模数转换器[A];2006中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文摘要集[C];2006年

4 张剑平;;一种宽输入量程和长输出位数的A/D电路及其算法[A];第三届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2005年

5 张谦述;刘永智;杨亚培;戴基智;唐雄贵;;一种新型集成光学模数转换器设计[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集（二）[C];2007年

6 薛亮;沈延钊;张向民;;一种A/D静态参数和动态参数的测试方法[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年

7 陈睿;陆妩;任迪远;郑玉展;王义元;费武雄;李茂顺;兰博;;不同偏置条件的10位CMOS模数转换器的辐射效应[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷·第7册）[C];2009年

8 马绍宇;韩雁;黄小伟;杨立吾;;一个高性能、低功耗18位音频模数转换器(ADC)[A];第十届中国科协年会论文集（四）[C];2008年

9 王旭利;许献国;詹峻岭;周启明;;模数转换器(ADC)抗辐射性能试验测试技术研究[A];第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集[C];2009年

10 王栋;王怀秀;;24位高性能Σ-△型模数转换器AD7764及在温度采集中的应用[A];第20届测控、计量、仪器仪表学术年会论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前6条

1 某摩步师侦察营仪侦连中士 周飞飞;模数转换器：夜间战场侦察如白昼[N];解放军报;2011年

2 ;24比特立体声模数转换器[N];中国计算机报;2004年

3 湖北 叶启明;多功能、高性能模数转换器ADC10080[N];电子报;2006年

4 ;TI推出12位500 MSPS ADC[N];电子资讯时报;2006年

5 程旭;德州仪器推出零交越轨至轨放大器[N];大众科技报;2006年

6 记者 孙文博/北京;ADI专注ADC市场 未来将打“中国牌”[N];电子资讯时报;2003年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王振宇;宽带高线性度流水线型模数转换器的高能效设计方法研究[D];复旦大学;2013年

2 范超杰;高性能流水线型模数转换器设计方法研究[D];上海交通大学;2014年

3 景鑫;低压低功耗流水线型模数转换器的设计技术研究[D];西安电子科技大学;2014年

4 马绍宇;高性能、低功耗∑△模数转换器的研究与实现[D];浙江大学;2008年

5 林俪;折叠内插模数转换器的高速、低功耗低电压设计方法研究[D];复旦大学;2010年

6 秦亚杰;高能效流水线模数转换器的研究与设计[D];复旦大学;2012年

7 李晓娟;折叠内插模数转换器的高精度设计研究与实现[D];西安电子科技大学;2012年

8 黄冠中;先进数字工艺下模数转换器低功耗设计技术[D];北京工业大学;2013年

9 殷秀梅;流水线模数转换器双模式数字后台校正技术[D];清华大学;2010年

10 张剑云;应用于数字视频接收器的低功耗高速流水线模数转换器的研究[D];复旦大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 陈华濂;12-bit Pipelined SAR ADC的研究与设计[D];华南理工大学;2015年

2 索喜来;PCM编解码芯片中模数转换器的设计[D];河北大学;2015年

3 周银;无线通信系统中流水线模数转换器的低成本低功耗研究与设计[D];复旦大学;2014年

4 王伟;基于CMOS工艺高速低功耗折叠内插结构模数转换器设计和研究[D];复旦大学;2013年

5 代国宪;2b/cycle高速逐次逼近型模数转换器设计研究[D];复旦大学;2014年

6 姜大伟;40nm工艺下流水线模数转换器关键单元的研究与设计[D];兰州大学;2015年

7 彭超;功耗可配置流水线模数转换器电路的研究与设计[D];苏州大学;2015年

8 贺冲;多位量化Sigma-Delta模数转换器的设计[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 汪帆;基于AD转换器的高精度电压测量电路的设计与实现[D];电子科技大学;2015年

10 刘萌;高性能模数转换器研究与设计[D];贵州大学;2015年

  本文关键词：高精度低功耗流水线型CMOS模数转换器的设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：259472