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千兆以太网中低电压高速模数转换器设计研究

陈诚  
【摘要】:随着数字化时代的到来,人们对以太网的数据传输率要求不断提高。现有快速以太网的10Mbps和100Mbps数据传输速率已不能满足许多应用的要求。因此,IEEE组织早在1996年就开始制订千兆以太网的相关传输标准,至1998年和1999年分别出台了基于光纤和5类非屏蔽双绞线的千兆以太网传输标准。 在基于5类非屏蔽双绞线千兆以太网模拟前端电路中,需要四个7—8比特分辨率、125MHz采样速率的高速模数转换器(ADC)把接收到的模拟信号转换成数字信号。而在便携式数字示波器中也能见到高速模数转换器的身影,其分辨率为8比特、采样速率在100MHz以上。同时,高速中等分辨率的模数转换器在液晶显示驱动、雷达、硬盘驱动电路等方面也有着广泛的应用。 作为混合信号系统芯片设计中的一个瓶颈,高速模数转换器消耗大量的芯片面积、功耗和设计时间。在众多种模数转换器电路结构中,折叠内插结构具有高速、低功耗、面积小及易与数字工艺兼容等优点。在90年代中期以前,折叠内插结构的模数转换器基本上都是用双极型工艺实现的。由于CMOS工艺的发展和设计技术的提高,现在用CMOS工艺实现的折叠内插模数转换器越来越多。随着集成电路朝SoC的趋势发展,要求模数转换器在系统芯片中嵌入化。尽管折叠内插结构模数转换器相对而言具有面积小的特点,但已有的研究结果显示,大多数的面积仍然在1mm~2左右或者更大,不利于模数转换器的嵌入式应用。 基于上述研究背景,本论文对用于千兆以太网全集成8比特分辨率、125MHz(可工作在200MHz)转换速率、小面积模数转换器进行了设计研究。主要工作如下: (1) 设计了一个独创的采用全晶体管实现的折叠电路。与传统的采用电阻负载的折叠电路相比,该全新的折叠电路完全用晶体管代替了电阻负载。在共模输出电压方面,全晶体管实现的折叠电路具有更好的电源电压抑制能力,而且没有采用电阻负载,折叠电路的共模输出电压以及增益对工艺的偏差并不敏感。因此,后级电路不必要求有很宽的输入范围,可以运用较简单的电路结构及较小的晶体管尺寸。晶体管负载相对于电阻负载占用的芯片面积更小。这些都有助于减小整个模数转换器的功耗和占用的面积。 (2)采用分布式采样保持电路。与单独的采样保持电路相比,分布式采样保持电路更适合于折叠、内插等结构的模数转换器,且对电容的线性度要求不高,可以用MOS管栅电容实现,节省面积。另外,除了时钟电路变复杂外,后者在线性区域、动态性能、功耗等方面都优于单独的采样保持电路,且可以与预放大电路结合在一起,使得折叠内插模数转换器的结构更紧凑。


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