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适用于无线传输系统的模数转换器研究与设计

作　者: 王申杰
导　师: 洪志良
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 压扩 模数转换器 运算跨导放大器 流水线 栅压自举 线性度 采样保持 平均内插
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


直接转换接收机(Direct conversion receiver)架构在未来的商业化产品,中有较大的发展潜力,尤其是在无线局域网(WLAN)应用中更是如此。除射频前端之外,模拟基带电路通常用来对混频器的输出实现放大滤波和量化功能。为适应信号大动态范围的要求,传统基带电路通常包括通道选择滤波器,自动增益控制环路(AGC)以及模数转换器(ADC)。AGC环路有如下缺点：1)由于存在较大干扰,AGC单级增益受到限制,通常需要将增益级分布在整个基带信号链路上进而有效衰减信道干扰。2)AGC增益在设定后不能实时改变,这就需要给出较大的动态范围余量以保证最差情况的发生,这一点在较大的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的情况下尤其明显。3)当动态范围较大时,环路相应的建立时间也较长,例如,在无线局域网802.11a/g系统中使用OFDM调制方式,AGC环路的建立时间要求很高(<5.6us)。本文基于一种以较低成本提高基带电路动态范围的方法：实时压扩(companding)系统。在该系统中增益控制在信号处理的过程中始终有效。输入增益单元压缩高动态范围的输入信号,其输出信号由较低动态范围的信号单元再经模数转换器(ADC)量化输出,扩展单元在数字域恢复信号动态范围。压缩滤波器已实现,实例1集中研究一个10bit 25MS/s流水线ADC及其数字扩展单元。该设计采用IBM 130nm CMOS上艺,电源电压1.2V,指标参数由802.11标准得到。详细分析了模数转换器的线性度误差原理,基于流水线级的等比例缩小技术对热噪声进行了全局优化。在电路级,本文设计了高增益两级元算跨导放大器(OTA),栅压自举(bootstrap)开关,动态比较器等核心模块。最终ADC的功耗为24mW,信号噪声失真比(SNDR) 60.3dB,无杂散动态范围(SFDR) 78dB,三阶交调失真(IMD3) 76dB。结合数字扩展单元,得到72dB压扩动态范围。与传统模拟基带相比,功耗下降3.3倍。本文的第二部分设计实现了-个适用于脉冲超宽带(IR-UWB)接收机的欠采样快闪型高速模数转换器。采样时钟为1.056GS/s,设计精度4bit。由于采用了无源平均和内插技术,在抑制前置放大器失调的同时节省功耗。前置采样保持电路采用了自偏置技术以保证在低电源电压下线性度和摆幅不会恶化。本文还提出了一种失调自校准的动态比较器,在多相时钟的控制下可以消除输入管的失调电压,转换器后仿功耗为18mW, SNDR 25.8 dB, SFDR 35.9 dB,流片测试结果为SNDR19dB, SFDR 31dB。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 引言  10-17
  1.1 无线标准  10-13
    1.1.1 802.11  10-11
    1.1.2 802.11b  11
    1.1.3 802.11a  11-12
    1.1.4 802.11g  12-13
  1.2 研究目的  13-16
  1.3 大纲  16
  本章参考文献  16-17
2 模数转换器基础  17-26
  2.1 基本特征  17-18
    2.1.1 精度  17
    2.1.2 采样理论  17-18
  2.2 量化噪声  18-20
    2.2.1 ADC传递函数  18-19
    2.2.2 ADC量化噪声  19-20
  2.3 静态误差  20-22
    2.3.1 失调,增益误差  20-21
    2.3.2 DNL  21-22
    2.3.3 INL  22
  2.4 动态误差  22-25
    2.4.1 信号噪声失真比SNDR与有效位数ENOB  22-23
    2.4.2 动态范围DR  23-24
    2.4.3 无杂散动态范围SFDR,总谐波失真THD和交调失真IMD  24-25
    2.4.4 FOM  25
  本章参考文献  25-26
3 接收机与模数转换器性能指标分析  26-34
  3.1 接收机性能预算链路  26
  3.2 模数转换器之前的信号处理  26-28
  3.3 转换器的噪声性能  28-30
  3.4 转换器的线性度  30-32
  本章参考文献  32-34
4 实例1:25MS/s 10bit流水线模数转换器  34-78
  4.1 流水线模数转换器  34-35
  4.2 流水线ADC算法  35-37
  4.3 1.5bit流水线级与数字修正  37-40
  4.4 线性度与误差源  40-48
    4.4.1 流水线级电路分析  40-42
    4.4.2 Sub-ADC失调  42-43
    4.4.3 OTA误差  43-46
    4.4.4 电容失配  46-47
    4.4.5 参考电压偏差  47-48
    4.4.6 小结  48
  4.5 热噪声与流水线级等比例缩小  48-50
    4.5.1 热噪声  48-49
    4.5.2 流水线级等比例缩小  49-50
  4.6 模数转换器设计  50-58
    4.6.1 采样开关  50-54
    4.6.2 MOS开关的改进  54-58
  4.7 运算放大器设计  58-64
  4.8 SC circuit implementation  64-71
    4.8.1 SHA  64-66
    4.8.2 流水线级电路  66-69
    4.8.3 Dynamic comparator  69-71
  4.9 时钟  71-72
  4.10 数字压扩译码  72-73
  4.11 仿真结果  73-75
  4.12 总结  75-76
  本章参考文献  76-78
5 实例2:1 GS/s 4bit模数转换器  78-96
  5.1 IR-UWB系统介绍  78-79
  5.2 1GS/s 4bit flash ADC电路设计  79-89
    5.2.1 系统架构  79
    5.2.2 高速采样保持电路  79-82
    5.2.3 平均内插网络  82-87
    5.2.4 高速自校准比较器  87-88
    5.2.5 解码器  88-89
  5.3 版图设计  89-92
    5.3.1 设计原则  89-90
    5.3.2 版图实例  90-92
  5.4 后仿性能  92-93
  5.5 测试方案考虑  93-95
  本章参考文献  95-96
6 总结与展望  96-97
  6.1 总结  96
  6.2 展望  96-97
致谢  97-98

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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