寬帶高線性度流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高能效設(shè)計方法研究.pdf

1、高速、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)廣泛應(yīng)用于新一代無線通信系統(tǒng)、醫(yī)療影像系統(tǒng)，雷達通訊系統(tǒng)，以及高性能儀表等領(lǐng)域。新一代系統(tǒng)的發(fā)展不僅要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有高信噪比(SNR)、高無雜散動態(tài)范圍(SFDR)以及欠采樣能力(Sub-Sampling Capability)，同時也要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器兼具低功耗、小面積的特征，從而實現(xiàn)高能效、低成本的系統(tǒng)應(yīng)用。
　　在眾多類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器被證明可以同時實現(xiàn)高速、高精度、低功耗

2、以及大模擬輸入帶寬。在各種低功耗設(shè)計技術(shù)中，運算放大器共享(Opamp-Sharing)、電容共享（Capacitor-Sharing）以及采樣/保持消去(SHA-Less)技術(shù)是實現(xiàn)高能效流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的運算放大器共享技術(shù)以及電容共享技術(shù)受限于記憶效應(yīng)(Memory Effect)，級間串擾(Crosstalk)和額外的時鐘清零相位(Additional Discharge Phase)，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換

3、精度和轉(zhuǎn)換速率受到了限制。采樣/保持消去技術(shù)由于在余量增益電路(MDAC)信號通路以及子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Sub-ADC)信號通路之間存在RC延時不匹配(RC-Delay Mismatch)，引入了孔徑誤差(Aperture Error)，進而限制了模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠處理的最大輸入信號的頻率。
　　為解決以上的問題，本論文提出一種運算放大器分裂—共享(OpampSplit-Sharing)的整合型前端設(shè)計方法。通過運算放大器分裂—共享將輸入

4、信號的采樣/保持功能整合到第一級余量增益電路，在降低功耗的同時，消除了孔徑誤差，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠在很大的輸入頻率范圍內(nèi)保持高線性度。利用低導(dǎo)通阻抗、小寄生電容的模式開關(guān)實現(xiàn)的分裂式運算放大器，很好地滿足了輸入信號保持相位以及余量信號放大相位對于運算放大器不同的增益和帶寬要求。通過運算放大器分裂—共享設(shè)計，在無需額外時鐘清零相位的情況下，消除了傳統(tǒng)運放共享技術(shù)存在的記憶效應(yīng)以及信號串擾，提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。對于后端流水線級，通過在

5、兩個2.5位余量增益電路之間共享一個兩級折疊四輸入運算放大器，實現(xiàn)了高能效的4.5位流水線級，進一步降低了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體功耗。
　　基于上述研究，本論文采用0.18-μm1P6M CMOS集成電路工藝實現(xiàn)了一款14-bit100 MS/s流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片核心面積為6.34mm2。測試結(jié)果表明，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的微分非線性(DNL)為+0.8/-0.7LSB，積分非線性(INL)為+2.1/-2.2LSB。當輸入15.5-MHz