高性能开关电容可变增益放大器设计

发布时间：2017-05-30 09:07

  本文关键词：高性能开关电容可变增益放大器设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子技术的发展,可变增益放大器(VGA)越来越多的应用在无线通信系统和图像处理系统等领域当中。为了更好的接收和处理所获得的信号,往往需要利用可变增益放大器对信号幅度进行调节,以满足后面信号处理电路对信号的要求。目前VGA的发展方向是追求更高的精度、更好的线性度、宽增益动态范围以及低失调。本文设计了一种应用于图像传感器读出电路模拟前端的可变增益放大器,实现放大功能的同时也承担了为后级ADC电路采样的任务。为了满足图像传感器高精度、高线性度和大输出范围的要求,VGA电路采用闭环结构。反馈网络采用开关电容结构是因为它在工作过程中消耗的静态电流极小,可以有效的节省功耗,并且在工业制造中电容相较于电阻具有更好的匹配性。电路主要由高性能的运算放大器、反馈电容网络、时钟产生电路构成,并加入一个误差校正DAC对图像传感器光电器件产生的暗电流进行补偿。文中运算放大器采用两级结构,并在第一级引入增益自举技术,以最大限度的提高运放的开环增益,使VGA电路能够获得很高的精度。为了节省电路面积,误差校正DAC采用了两段式结构,用更小的电容面积实现高分辨率的校正。在图像传感器的应用背景下,本文研究并设计了一个采样精度为14 bit,采样速率为40MS/s的开关电容可变增益放大器。电路设计采用0.18μm CMOS工艺,在3.3V电源电压的条件下功耗为65m W,整体版图面积1850x950μm2。电路共模电压为1.5V,能够处理的信号范围为1~2V。采用Spectre软件进行仿真,VGA动态范围为-3d B~19d B,可实现256步变化。误差校正DAC具有±8 bit校正精度,其校正数值与VGA放大倍数有关,在8倍放大模式下,校正范围为-507m V~507m V。对VGA电路在17.06MHz的输入信号下进行FFT仿真,得到仿真结果如下:有效位数(ENOB)为14.9 bit,信噪比(SNR)91.4d B,无杂散动态范围(SFDR)达到97.9d B。结果证明电路具有高精度、非线性特性良好的优点,能够满足设计要求。
【关键词】：图像传感器 运算放大器 误差校正DAC 可变增益放大器 两相不交叠时钟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 国内外研究进展12-14
• 1.3 本课题的主要工作内容14-15
• 第2章 VGA基本原理和电路结构15-23
• 2.1 VGA的常见结构及原理15-20
• 2.1.1 基于Gilbert单元的VGA15-17
• 2.1.2 基于源极负反馈的VGA17-18
• 2.1.3 基于负载可变的VGA18-19
• 2.1.4 闭环结构的VGA19-20
• 2.2 可变增益放大器的参数指标20-22
• 2.2.1 线性度20-21
• 2.2.2 增益动态范围及增益步长21
• 2.2.3 噪声系数21-22
• 2.2.4 输出摆幅22
• 2.3 本文VGA的设计方案22-23
• 第3章 运算放大器的设计23-44
• 3.1 运算放大器介绍23-28
• 3.1.1 单级运算放大器23-24
• 3.1.2 套筒式运算放大器24-25
• 3.1.3 折叠共源共栅放大器25-26
• 3.1.4 增益增强型运算放大器26-27
• 3.1.5 两级运算放大器27-28
• 3.2 运放参数的估算28-33
• 3.2.1 开环增益29-30
• 3.2.2 增益带宽积30-31
• 3.2.3 相位裕度31-33
• 3.3 全差分运算放大器的设计33-44
• 3.3.1 运算放大器主体结构33-35
• 3.3.2 频率补偿35-38
• 3.3.3 辅助运放的设计38-40
• 3.3.4 共模反馈电路40-41
• 3.3.5 运放的整体仿真41-44
• 第4章 开关电容VGA的设计44-58
• 4.1 整体结构44-46
• 4.2 反馈电容阵列46-47
• 4.3 DAC电路的设计47-51
• 4.3.1 传统权电容网络DAC47-48
• 4.3.2 两段式结构DAC的设计48-51
• 4.4 时钟电路51-54
• 4.4.1 两相不交叠时钟产生电路51-53
• 4.4.2 DAC时钟控制信号53-54
• 4.5 电路整体仿真54-56
• 4.6 版图设计56-58
• 第5章 总结和展望58-60
• 5.1 总结58
• 5.2 展望58-60
• 参考文献60-64
• 作者简介及科研成果64-65
• 致谢65

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本文编号：406800