基于噪声整形的高能效模数转换器芯片关键技术研究

发布时间：2020-06-07 07:48

【摘要】：模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)芯片是一种将模拟信号转换成数字信号的集成电路。现实世界中的信号大多是模拟信号,而用于信息处理和数据传输的信号大多是数字信号,ADC作为模拟世界与数字世界之间的桥梁有着广泛不可替代的作用。近年来,在物联网等产业的市场需求和集成电路制造工艺更新换代的双重驱动下,ADC芯片持续向更快速度、更低功耗、更高精度、更小面积的方向发展。然而,采用特征尺寸越来越小的集成电路工艺时,经典的ADC设计技术遭遇了前所未有的挑战:(1)晶体管的工作电压越来越低,直接引起了ADC动态范围和信噪比的下降;(2)晶体管工作电压和本征增益的降低,使设计实现高增益放大器和低噪声比较器更加困难,进而使依赖于高性能模拟电路来实现高精度的经典ADC设计技术不再有效;(3)集成电路特征尺寸的缩小使器件之间难以实现良好的匹配,导致ADC产生严重的非线性失真。这些问题牵引着学术界和工业界探索发展创新型ADC结构及设计方法,混合结构、数字化和无源化ADC架构及芯片设计技术正成为研究的热点领域。逐次逼近寄存器型(Successive Approximation Register,SAR)ADC由开关电容阵列、动态锁存比较器和数字逻辑电路构成,其高度数字化、无源化的电路结构具有良好的集成电路工艺演进兼容性,在近年来集成电路工艺更新换代中其性能获得了飞速提升。传统的SAR ADC在中低精度应用中具有很高的能效,但因比较器噪声和器件失配等因素的限制,其在实现高精度时能效急剧下降。如何既保持SAR ADC良好的工艺演进兼容性,又能提高其能效,是当前亟待突破的关键技术。本论文在研究SAR ADC设计技术及其各种非理想因素的基础上,分析了提升ADC能效的机制和方法,提出了两种基于噪声整形的新型混合结构ADC架构和一种改善器件匹配的失配误差整形(Mismatch Error Shaping,MES)方法,能显著降低带内噪声和失配误差,使ADC在实现高精度的同时具有高能效。本论文的主要研究工作和贡献如下:1.提出了一种新型二阶无源噪声整形SAR ADC架构,其基于开关电容电路实现二阶噪声整形,有效地将带内量化噪声、比较器噪声等非理想因素降低了24d B,进而提高了ADC的精度和能效。与经典SAR ADC相比,其仅增加了两个开关、两个电容和两个比较器的差分输入对,整体结构简单;与已有的无源噪声整形SAR ADC相比,该架构有效减小了无源积分通路的衰减,从而显著降低了ADC的等效输入噪声,在相同的热噪声预算情况下,可将电路中总电容面积降低2.4倍,将比较器功耗降低40%。该噪声整形SAR ADC不需要跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA)等有源电路,无静态功耗且随工艺、电源电压和温度(Process,Voltage and Temperature,PVT)变化的稳定性好,能满足物联网应用对低功耗、小面积ADC芯片的需求;基于40 nm CMOS工艺,设计出一款5位二阶噪声整形SAR ADC芯片,测试结果表明芯片在560 MHz采样时钟和8倍过采样率的工作条件下,实现了9位有效位数(Effective Number of Bits,ENOB),带宽达到35 MHz,芯片功耗为0.64 m W,面积仅0.0035 mm~2。2.提出了一种采用噪声整形SAR ADC作为量化器的新型连续时间增量-累加型(Delta-Sigma,ΔΣ)ADC架构,其仅需要一个OTA即能实现三阶噪声整形,增强了ADC的噪声整形能力,显著降低了环路滤波器的设计复杂度,并提高了系统的PVT稳定性。该架构融合了连续时间和离散时间ΔΣADC的优点,具有低功耗、高精度、高稳定性以及抗混叠滤波特性,适合于无线通信系统的应用。基于40 nm CMOS工艺,设计出一款三阶连续时间ΔΣADC芯片,测试结果表明其在500 MHz采样时钟和20倍过采样率的工作条件下,实现了70 d B的信噪失真比(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio,SNDR)和12.5 MHz的带宽,芯片功耗为1.16 m W,面积仅0.029 mm~2。3.提出了一种新型误差反馈式(Error Feedback,EF)MES方法,其能有效解决高精度ADC中的器件失配问题,电路实现复杂度低、拓展自由度高。与经典的电路复杂度与ADC位数呈指数关系的动态元件匹配(Dynamic Element Matching,DEM)方法相比,本文提出的EF MES电路复杂度仅与ADC位数呈线性关系,可显著降低芯片面积和功耗,适合高精度ADC的应用。与已报道的仅能实现一阶整形的EF MES方法相比,本文的方法不仅能实现更强的二阶整形能力,并且可以自由拓展至多种形式的高阶整形,广泛适用于低通、高通和带通ADC的设计;此外,本论文的方法还有效解决了由EF MES应用导致的ADC过载问题,进而大幅提高了ADC的动态范围。本论文研究成果突破了高能效ADC设计的关键技术,为低功耗高精度ADC实现提供了有效解决方案,有益于推动高精度、高能效ADC技术发展和芯片实现,在物联网、无线通信等领域有着广泛的应用前景。
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集成电路,晶体管

[11]，他将几个锗晶体管粘在一块锗片上，，并用细金丝将晶体管连接起来组成一个触发器，如图1-4(a)所示。大约半年后，仙童半导体公司的 Robert Noyce 基于硅平面工艺，发明了世界上第一块硅基集成电路[12]，如图1-4(b)所示，他用 4 个晶体管和 6 个电阻组成一个环形振荡器。该集成电路更适合商业化生产。伴随着集成电路的诞生，ADC 的发展也迈向了集成电路时代。1965 年，Ray Stata 和 Matt Lorber 在马萨诸塞州剑桥市创立 ADI（AnalogDevices Inc.）公司。ADI 公司最初产品为高性能模块式运算放大器，但在 1969 年并购了数据转换器产品的领先供应商 Pastoriza Electronics 后
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792

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