流水线-逐次逼近型模数转换器低功耗级间放大器研究

发布时间：2020-04-26 00:06

【摘要】：模数转换器作为连接模拟世界与数字世界的桥梁,如今已经成为世界上需求量最大的混合信号电子产品之一,渗透到我们生活和工作中的方方面面,如手机、电脑、可穿戴设备、WiFi等。随着物联网的快速崛起,如今越来越多的电子产品已经朝着智能化、人性化发展,使得对数据转换器高速高精度要求的同时,也对功耗的要求越发严苛。流水线型ADC可以同时达到高速高精度的要求,但是有着高功耗的缺点,为了弥补其功耗上的不足,本文提出一种新型低功耗环形放大器作为其流水线架构的级间放大器,并利用逐次逼近性ADC的低功耗优势,通过环形放大器,实现低功耗流水线-逐次逼近型ADC,进而验证环形放大器在ADC中的工作原理和性能。本文首先对ADC的研究现状和各种性能指标进行了阐述和定义,并简要总结了当前一些主流ADC的主要优劣和应用场景。并结合当前国际国内市场对ADC相关芯片的需求,对于ADC未来的发展趋势做出了总结和预测。流水线型的ADC的主要功耗来自于级间放大器,本文对比当前典型应用的级间放大器,提出了一种新型的自偏置伪差分环形放大器,并就该放大器的速度、精度和功耗进行了细致的优化以实现中高速度、中高精度、低功耗的性能,解决了环形放大器电荷共享所引起的增益误差问题。除此之外,本文亦对三种不同架构的环形放大器做出了详细的分析,并给与电路实现。本文采用逐次逼近性ADC作为流水线ADC的子ADC,就此实现了下极板采样式和共模收敛式两种不同类型的逐次逼近型ADC,并重新对其逻辑控制和比较器进行设计和实现。最后,本文基于所提出的伪差分环形放大器,在TSMC 40nm CMOS工艺下,级联两级ADC实现12bit、160MS/s的流水线-逐次逼近型ADC。其中伪差分环形放大器增益稳定在15.92±0.008,功耗800?W,速度160MS/s,SFDR85dB,轨到轨输出。两级子ADC的精度分别为5bit和8bit,其有效位分别为4.8bit和7.38bit,速度分别为400MS/s和160MS/s。流水线-逐次逼近型ADC的有效位为9.1bit,SNDR为56.5dB,品质因数为34.2fJ/conv-step。
【图文】：

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上海交通大学硕士学位论文28nm/40nm 等小电压电源供给的先进工艺，但是对于超低功耗 ADC 的设计，小电压电源供给的先进工艺则有着非常显著的优势。而在系统架构的选择中，SARADC 和 Pipelined-SAR 混合型 ADC 是目前的主流选择。图 1-2 统计了 1997-2016年集成电路领域两个代表性会议（International Solid-State Circuit Conference,ISSCC 和 Very Large Scale Integrated-circuit，VLSI）相关学术论文的主要指标的发展趋势[2,4]。可以看出对于中高精度和速度的 ADC，，低功耗的研究非常热门。

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上海交通大学硕士学位论文采样率很大的转换器被称为过采样转换器，而奈奎斯特转换一般小于 8。2 所示， ΣADC 有着最高的转换精度，其利用过采样架构以，是常用 ADC 架构中唯一的过采样 ADC；Flash ADC 相较最快，但是精度同时也是最低的；图中给出了同步和异步两前者一般可以实现较高精度，是低速低功耗的一种很好的选器自复位时钟产生异步 SAR 逻辑，有效提高了速度，增大采C 则是一种可以同时实现高速高精度的架构，但是架构过于较大的面积和功耗。根据绪论中对 ADC 趋势的分析，目R ADC 具有中高速度中高精度，并且具有 SAR ADC 所具有
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792;TN722

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