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流水线模数转换器的研究与设计

黄岩  
【摘要】: 随着无线通信系统及便携式视频影像设备的快速增长,如通讯中的无线局域网,消费产品中的手机、高清晰度电视等,对于低功率及高转换速率的集成电路有着不可或缺的需求。在现有的模数转换器(analog-to-digital convertor,简称ADC或A/D转换器)结构中,流水线结构在能达到高速的输入性能和快速的处理能力方面被证明是最有效的ADC结构。 本论文以提高采样速率为目标,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了一个具有12 bit,200Msps的流水线模数转换器,研究成果及创新点如下: (1)提出了新型的基于CCⅡ的双采样保持电路,打破了传统的采样-保持-采样的模式,合理的利用了时间实现了采样-保持-采样和保持-采样-保持两种模式同时进行,实现了200Msps的采样速率。通过PSPICE仿真表明该电路具有良好的性能。 (2)提出了新型的基于CCⅡ的乘法型数模转换器(multiplying digital to analog convertor,简称MDAC)电路,实现了采样速率翻倍与电压余差值的放大,很好的实现了MDAC的功能,同时采样速率也达到了200Msps,通过PSPICE仿真表明,此MDAC电路具有高性能。本论文在提出的流水线ADC的基础上,主要研究内容包括以下几个方面: (1)前10级用了每级1.5 bit精度,最后一级2 bit Flash ADC的流水线结构,并采用数字校正电路对各级间误差进行校正。 (2)模块电路包括双采样保持电路、Sub-ADC、Sub-DAC、时钟产生电路、延时电路和数字校正电路等。 (3)整个电路用单个时钟控制,采用时钟树来降低时钟电路的负载,同时采用双边沿D触发器实现延时电路。 (4)编码电路采用基于电流模式逻辑门电路的解码方式,将温度计码转换成二进制码,进一步提高转换速度和降低误码率。 流水线ADC仿真结果表明,12 bit ADC最高采样速率达200Msps,积分非线性和微分非线性误差分别小于0.95LSB和1.011LSB,在5MHz的正弦输入信号下,电源电压为1.8V下,功耗小于165mW。


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