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低功耗模数转换电路研究

作　者: 李博
导　师: 李哲英
学　校: 北京交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 流水线模数转换器 功耗 比较器 取样保持放大器
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 322次
引　用: 1次
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内容摘要


目前，片上系统(SoC)的设计已经由数字型全面转向混合信号型，尤其在无线语音和数字通信应用领域，需要将混合信号模块和基带处理器整合在一起，在单芯片中包含数字基带、模拟基带、功耗管理、射频以及锁相环等部分。混合信号SoC一般整合了微处理器、存储器、复杂的模拟和混合信号处理、数字处理、通信协议和应用程序等部分。模数转换器(ADC)作为SoC硬件系统中模拟和数字的接口就显得尤为重要。集成电路的特征尺寸已达到超深亚微米阶段，特征电压也已经降到1V以下，功耗问题伴随噪声和短沟道等效应突现出来，功耗和性能的权衡成为模拟设计的难点。本文对ADC的行为特性进行了分析，重点研究了易于达到高速高精度的流水线ADC，对其组成模块的误差进行了定量分析，找到性能和功耗的制衡点，针对各级分辨率、电容逐级缩减和核心电路指标优化等方面，提出了流水线ADC系统功耗优化算法。此算法在MATLAB中实现，可自动化完成规范约束下流水线ADC系统功耗最小化设计。在TSMC 0.18-μm CMOS工艺下，设计了一个8位，取样速率200MHz的流水线ADC，采用了上述功耗优化算法，并引入改进的取样保持放大器和比较器。测试结果表明，在100MHz输入信号下，最坏情况的DNL和INL分别为+0.69／-0.6LSB和+0.75／-1.05LSB，SNDR和SFDR分别为45.5dB和57.5dB，动态功耗仅为172mW，说明此算法可在保证静态动态特性的前提下，可达到功耗优化的目的。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
序  8-11
1. 引言  11-14
  1.1 研究的背景和意义  11
  1.2 国际国内研究现状  11-12
  1.3 本论文的主要贡献  12-13
  1.4 论文的组织结构  13-14
2. 模数转换器简介  14-34
  2.1 ADC性能参数  14-18
    2.1.1 静态特性  14-15
    2.1.2 动态特性  15-18
  2.2 各类ADC性能对比  18
  2.3 流水线ADC基本结构  18-29
    2.3.1 MDAC  21-23
    2.3.2 子ADC  23-24
    2.3.3 数字校正原理  24-28
    2.3.4 1.5位/级数字校正  28-29
  2.4 速度，精度和功耗的权衡  29-31
  2.5 小节  31-34
3. 流水线ADC的相关误差  34-45
  3.1 子ADC误差  34
  3.2 子DAC误差  34-35
  3.3 增益误差  35-38
  3.4 MOS开关误差  38-39
  3.5 采样时间不确定性  39-41
  3.6 kT/C噪声  41-42
  3.7 运算放大器噪声  42-43
  3.8 总输入相关噪声  43-44
  3.9 小节  44-45
4. 流水线ADC系统功耗优化方法  45-64
  4.1 功耗优化流程及算法  45-46
  4.2 级分辨率确定  46-52
    4.2.1 级分辨率与面积的关系  46-48
    4.2.2 级分辨率与功耗的关系  48-49
    4.2.3 级分辨率相同的功耗分析  49-51
    4.2.4 级分辨率不同的功耗分析  51-52
  4.3 电容缩减  52-61
    4.3.1 无相关噪声的电容缩减问题  53-55
    4.3.2 流水线ADC热噪声分析  55-58
    4.3.3 具有相关噪声的电容缩减问题  58-61
  4.4 其他电路指标的确定  61-63
    4.4.1 运放带宽的确定  61-62
    4.4.2 运放增益的确定  62
    4.4.3 摆率问题  62-63
    4.4.4 开关尺寸的确定  63
  4.5 小节  63-64
5. 电路实现方案及测试方案  64-75
  5.1 设计指标  64
  5.2 实现结构  64-67
    5.2.1 优化的比较器结构  64-65
    5.2.2 优化的取样保持放大器结构  65-66
    5.2.3 时钟逻辑电路  66-67
  5.3 版图优化设计  67-68
  5.4 测试方案  68-71
  5.5 测试结果  71-74
  5.6 小节  74-75
6. 结论  75-77
  6.1 总结  75
  6.2 展望  75-77
参考文献  77-80
附录  80-87
作者简历  87-91
学位论文数据集  91

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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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