高速ADC IP参考电压的电荷补偿技术

发布时间：2017-08-20 18:26

  本文关键词：高速ADC IP参考电压的电荷补偿技术

  更多相关文章： 电荷补偿 低功耗 开关电容 参考电压驱动器 模数转换器

【摘要】：高速发展的SOC技术对ADC提出了高性能低功耗的要求。作为量化“标尺”的参考电压的精度、稳定性及噪声性能等直接影响ADC的性能。由于开关电容式ADC在其转换工作时会向参考电压上汲取或馈入电荷,导致参考电压的抖动。为了集成化和低成本设计,高速高精度的ADC需要在芯片内集成参考电压驱动器以得到稳定的参考电压。但较易集成的宽带参考电压驱动器会消耗很大的功耗,且引入很大的电路噪声,其电源抑制能力也非常弱,这对于强调低功耗的设计是非常不利的。窄带的参考驱动器可以改善宽带参考驱动器所存在的功耗和噪声问题,但为了快速的参考驱动,它需要在片外外接大的解耦电容,需要占用额外PIN脚,使得封装变大;特别是在高速ADC中,由于开关电容的快速切换对参考电压的电荷注入,动态的电荷注入与邦定线寄生电感导致片内参考电压发生振荡,此时为了使得参考电压依然保持足够的精度,需要在片内也加入大的解耦电容来吸收电荷,这也意味着窄带参考驱动器需要占用大的片内面积;因此窄带参考驱动器很难满足SOC易于集成的要求。用于高速高精度ADC的低功耗参考驱动技术成为了决定ADC是否能实现低功耗集成的关键技术之一。本文分析、总结了现有参考驱动技术,得出低功耗参考驱动技术主要受限于ADC中参考电压的电荷损失的结论。为了降低低功耗窄带参考驱动的片内解耦电容面积,对ADC中参考电压的电荷损失进行了量化分析,进而提出了一种用于高速开关式ADC参考电压的电荷补偿技术。为了验证参考电压电荷补偿技术的作用,设计了基于不同结构ADC的的仿真验证电路和芯片验证。首先,基于电荷补偿技术设计了一款12-bit 500MS/s Pipelined ADC的电荷补偿电路,验证在低功耗的窄带参考电压驱动器的驱动下,不使用片外解耦电容时电荷补偿技术对降低片内解耦电容面积的作用。晶体管级仿真结果显示,在不使用片外解耦电容且片内解耦电容仅为170pF的情况下,加入电荷补偿电路后ADC的SNDR和SFDR有了至少9dB和12dB的提高。其次,设计了一款11-bit 200MS/s Subranged SAR ADC及其电荷补偿电路,并基于该电路进行了版图设计和后仿真,后仿真结果显示,在加入电荷补偿技术后,SNDR和SFDR有了至少2dB和11d B的提高。最后,实现了带有电荷补偿技术的11-bit 200MS/s Subranged SAR ADC芯片设计并流片。利用电荷补偿技术实现的电荷补偿电路具有逻辑简单、面积小、功耗低、应用广泛等特点。
【关键词】：电荷补偿 低功耗 开关电容 参考电压驱动器 模数转换器
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN792
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-14
• 1.1 课题背景及意义8
• 1.2 研究现状8-12
• 1.2.1 模数转换器研究现状8-11
• 1.2.2 高速ADC参考电压驱动技术研究现状11-12
• 1.3 本研究主要贡献及文章组织架构12-14
• 1.3.1 主要贡献12
• 1.3.2 本文组织架构12-14
• 第2章 高速ADC参考电压驱动技术概述14-27
• 2.1 开关电容式ADC参考电压驱动的电荷损失问题14-15
• 2.2 宽带参考电压驱动器15-19
• 2.2.1 负反馈放大器结构参考电压驱动器15-18
• 2.2.2 源极跟随器结构参考电压驱动器18-19
• 2.3 窄带参考电压驱动器19-21
• 2.4 片外参考驱动21
• 2.5 高速低功耗参考电压驱动技术21-27
• 2.5.1 校准技术22
• 2.5.2 可变参考电压驱动器22-23
• 2.5.3 用于Pipelined ADC的参考补偿技术23-25
• 2.5.4 用于SAR ADC的参考补偿技术25-27
• 第3章 用于开关电容式ADC参考电压的电荷补偿技术27-47
• 3.1 开关电容式ADC参考电压电荷损失分析27-30
• 3.1.1 参考电压电荷损失27-28
• 3.1.2 参考电压电荷损失的量化28-30
• 3.2 开关电容式ADC参考电压的电荷补偿技术30-46
• 3.2.1 电荷补偿技术的提出30-32
• 3.2.2 电荷补偿电路设计32-36
• 3.2.3 电荷释放电路设计36-40
• 3.2.4 两种电荷补偿实现方式对比40-41
• 3.2.5 精确补偿41-46
• 3.3 小结46-47
• 第4章 电荷补偿技术的仿真验证47-50
• 4.1 验证用Pipelined ADC基本结构47-48
• 4.2 仿真结果48-50
• 第5章 电荷补偿技术的芯片验证50-73
• 5.1 验证方案50
• 5.2 11-bit 200MS/s Subranged SAR ADC50-53
• 5.2.1 ADC结构及工作原理50-52
• 5.2.2 理想参考下ADC仿真结果52-53
• 5.3 带有使能控制的电荷补偿电路设计53-63
• 5.3.1 CDAC根据温度码DA转换时参考电压电荷损失量化分析53-56
• 5.3.2 第一级电荷补偿电路设计56-58
• 5.3.3 SAR ADC转换期间参考电压电荷损失58-60
• 5.3.4 片上参考电压驱动器60-61
• 5.3.5 ADC前仿真结果对比及分析61-63
• 5.4 版图寄生分析及后仿真结果63-70
• 5.4.1 ADC版图63-64
• 5.4.2 电荷补偿电路寄生分析及版图64-68
• 5.4.3 后仿真结果68-70
• 5.5 芯片布局70-73
• 5.5.1 芯片设计考虑70-71
• 5.5.2 芯片结构71-72
• 5.5.3 总体版图布局72-73
• 第6章 总结及展望73-74
• 6.1 论文总结73
• 6.2 工作展望73-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-79
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果79

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本文编号：708209