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10位流水线结构模数转换器的研究

王学权  
【摘要】:片上系统(SOC)需要在单个硅片上同时实现数字电路和模拟电路,设计出基于标准CMOS工艺的高性能模数转换器是关键。随着集成电路设计水平与工艺制造技术的发展,集成化、低功耗成为集成电路的必然发展趋势。无线通信、图像处理、音频技术和工业控制的广泛运用,进一步推动其向高速、高分辨率发展。这给电路设计尤其是模拟电路的设计提出了严峻的挑战。作为模拟电路与数字电路的接口电路,高性能的模数转换器对整个设计系统的实现非常重要。 本文对现今的各种高速、高分辨率的ADC结构进行了分析比较,选择了流水线(Pipeline)结构的模数转换器作为研究重点。论文从基本原理开始,通过分析流水线ADC的系统结构特点和其结构中的非理想特性,对流水线ADC中的各个模块进行分析、设计和优化。论文中电路采用大量的开关电容电路,为了提高流水线ADC的整体性能和降低整个系统的功耗,本文重点对高性能的运算放大器和动态比较器进行优化设计,构建了同时具有高精度和高速的开关电容电路,并通过采用动态比较器来提高速度和降低功耗,该动态比较器没有直流功耗,最终完成了一个1.5位每级结构的10位高速、低功耗流水线ADC中的单级模块的电路实现。 整个的电路设计是基于标准0.35um CMOS工艺,3.3V单电源供电,并利用Hspice对电路进行模拟仿真,通过对电路中的放大器进行模拟仿真得出,用于流水线ADC的全差分运算放大器的开环直流增益高达106dB,同时增益带宽积也达到167MHz,动态比较器则有着很高的速度和极低的功耗。通过使用该结构的全差分运算放大器和动态比较器可以实现10位的分辨率,同时采样频率可以达到10MHz的流水线结构模数转换器。


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