a+10bit+30msps+pipelined+adc.pdf

南开大学 硕士学位论文 A 10-bit 30MSps Pipelined ADC 姓名：岂飞涛 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：贾香鸾;秦世才 20040501 提要 A D 转换器是现代通信系统中的重要电路模块之一在各种A D 转 换器中，S A RA D C 虽然具有功耗低的优点，但是它的速度很慢，通 常用于便携式设备中；S i g m a —D e l t a A D C 可以实现1 6 B i t s 以上的精度， 但是通常应用在音频领域，而且由于抽取滤波器的存在，使得高速高 精度S i g m a - D e l t aA D C 的面积和功耗也非常大；F l a s hA D C 的速度虽 然很快，但是无法做到高精度( 大于8 B i t s ) 与其他A D C 相比， P i p e l i n e dA D C 同时具有速度快、精度高、功耗低的优点，因此在视 频领域得到了十分广泛的应用 本文设计并实现了一个10B i t s3 0 M S P sP i p e l i n e dA D C 该A D C 使用2 ．5 v 单电源供电，采用全差分结构，其量化范围为一l v ～+ I V ， 功耗2 5 0 m W 。

测试结果表明，该A D C 在2 0 M 采样速率下达到了9 B i t s 的精度 关键字：P i p e l i n e d A D C ， 数字纠错，全差分放大器，比较器 A b s t r a c t A DC o n v e r t e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k si nm o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ．I na l lk i n d so fA D C s ，A l t h o u g hS A RA D C ， w h i c hi su s u a l l yu s e di np o r t a b l ed e v i c e ，h a st h ea d v a n t a g eo f l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，i t ss p e e d i s v e r ys l o w ；F o rr e s o l u t i o na b o v e 16b i t s ， S i g m a —D e l t aA D Ci sag o o dc h o i c e ，h o w e v e r ，t h e i ra p p l i c a t i o n sa r eo f t e n l i m i t e di na u d i of r e q u e n c y ．W h a t ’Sm o r e ，t h ea r e a a n dt h e p o w e r c o n s u m p t i o nw i l l b ev e r yl a r g ef o r t h eh i g h - s p e e dh i g hr e s o l u t i o n a p p l i c a t i o n sb e c a u s eo f t h e e x i s t e n c eo ft h ed i g i t a ld e c i m a t i o nf i l t e r ；T h e s p e e do fF l a s hA D Cc a nb ev e r yf a s t ，b u ti t i sn o ts u i t a b l ef o rr e s o l u t i o n m o r et h a n8b i t s ．C o m p a r i n gw i t ho t h e rA D C ，p i p e l i n e dA D Ch a st h e a d v a n t a g eo fb o t hh i | g hs p e e da n dh i g hr e s o l u t i o n ．S o ，i ti sw i d e l yu s e di n v i d e of r e q u e n c y ． I nt h i sp a p e r , aIO B i t s3 0 M S P SP i p e l i n e dA D Ci sd e s i g n e da n d r e a l i z e d ．T h i sA D Cu t i l i z e sf u l l yd i f f e r e n t i a ls t r u c t u r ea n d2 ．5 Vs i n g l e s u p p l yv o l t a g e ．I t sf u l ls a l er a n g ei s —I V ～I Va n dp o w e rc o n s u m p t i o ni s 2 5 0 m W ．．T h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h a t ，t h er e s o l u t i o ni s9 b i t sf o rt h e 2 0 M H zs a m p l i n gf r e q u e n c y ． K e wW o r d s ：P i p e l i n e dA D C ，r e d u n d a n c yd i g i t a lc o r r e c t i o n ，R S D ，f u l l y d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r ，c o m p a m t o r 第一章序言 近年来，D S P 技术飞速发展，使得人们对数字信号的处理方法不断增多、处理能力大大 增强。

因此，在很多情况下对信号以数字的形式进行处理会更加方便，快捷然而，自然界 中的信号绝大多数是以模拟的形式存在的，为了充分发挥D S P 技术的优越性，往往需要将模 拟信号转化成数字信号来处理，这就必然要用到模数转换器A D C 采用数字信号处理的方法对模拟信号进行处理主要有以下四种好处：第一，处理过程的 精度会更高，这在信号处理中是一个非常重要的因素：第二，数字信号更加容易存储，而且 数据不易丢失，耐久性好，因此信号失真小，并且数据具有可传输性：第三，数字信号处理 有更强的处理能力，其中包括很多复杂的算法，可以处理相当复杂的信号，这些是对模拟信 号直接进行处理无法做到的：第四，以数字形式对信号进行处理的系统往往功耗会更小、成 本会更低 然而，以数字的形式对信号进行处理也有它的局限性，因为要想加快整个系统的处理速 度，提高其处理精度，必然需要一个高速、高精度的A D C ，这种A D C 不仅实现起来困难，而 且功耗大 在高端视频信号处理系统和高性能数字通讯系统中均用到了采样速率I O O M S ／s 左右，动 态范围近6 0 d B 的A D C 例如，在传统的电视系统中需要一个转换精度达到8 b i t s , 采样速率 在2 0 5 , t l i z 左右的A D c ；而在新近推出的高清晰数字电视系统中需要一个转换精度达到l O b i t s 、 采样速率为5 0 M H z ～7 5 M H z 的A D C 。

可见，为了满足上述众多需求，研究高速、高精度A D C 的工作具有十分重要的意义，尤其是用标准C M O S 工艺实现的高速、高精度A D C 本项工作就是应市场需求，对P i p e l ／n e dA D c 的原理、结构及实现进行了详细研究，并 且用0 ．2 5 u r n C M O S 工艺，设计了一个采样速率为3 0 M l l z 、转换精度为l O b i t s 的P i p e l i n e d A D C ． 本论文在结构上按如下方式进行安排： 第二章介绍A D C 的几种主要类型，包括F l a s hA D C 、I ’i p e i i n e dA D C 、S A RA D C 和 S i g m aD e l t aA D C ，并对它们各自的特点、结构及局限性做简单的分析比较； 第三章主要介绍P i p e li n e dA D C 的原理和结构，分析影响P i p e l i n e dA O C 性能的主要因 素，并根据分析结果详细介绍选定什么结构的P i p e l i n e dA D C 具有更快的速度、更低的功耗， 以及如何确定这种A D C 的整体参数： 第四章详细分析采样保持和乘二电路的原理和结构，其中包括对几种采样保持电路的比 较和对各种开关结构的具体分析比较，还分析了放大器非理想效应对乘二电路性能的影响。

第五章主要是关于比较器的原理、结构及电路实现，同样包括各种比较器的原理、结构 的分析比较 第六章详细介绍数字纠错的原理和实现 第七章介绍A D C 的性能参数及测试方法 第八章介绍设计的P i p e l i n e dA O C 的整体电路，并给出测试结果 第九章为总结及致谢 第二章几种常用类型的A D C 比较常用的模数转换器有f l a s hA D C 、P i p e l i n e dA D C 、S u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nA D C ( S A R A D C ) 和S i g m ad e l t a A D C 四种其中前三种A D C 属于以奈奎斯特频率进行采样的A D C ， 而S i v ad e l t aA D C 是过采样A D C 通常，我们用转换速率和转换精度来初步衡量A M 的性能A D C 转换速率的快馒主要取 决于所有比较器完成比较用的时问，转换精度基本由A D C 的类型、结构限定，不同类型、不 同结构的A D C 可以达到不同的转换精度在这四种A D C 中，S i g m ad e l t a A D C 凭着过采样技 术的固有优势，可以很好地克服非理想因素的影响，得到最高的转换精度。

但是，这种高转 换精度是以牺牲速度为代价的当信号频率高于1 M I t z 时，用S i g m ad e l t aA D C 就相当浪费 了因此，S i g m ad e l t aA D C 适用于低频、高精度的需要；f l a s hA D C 只需要一个时钟周期 就可以完成所有比较器的比较．因此它的转换速率最快但是，随着转换精度的提高，f l a s h A I E 结构的复杂程度成指数上涨，会引进众多非理想因素，因此转换精度不宣做得太高；S A R A I E 的转换速率比较慢，因为每一个时钟周期只能完成一个比较器的比较，也就是说，每个 时钟周期只能产生l b i t 数据，因此，转换速率随着转换精度的升高而降低但是，这种S A R A D C 的结构相对简单，不需要随着转换精度的改变而改变，转换精度可以做得比较高，而且 功耗小：P i p e l i n e dA D C 是介于f l a s hA D C 和S A RA D C 之间的一种A D C ，它综合了f l a s hA D c 高速的优点和S A R A I ) C 结构简单的优点，可以在一个时钟周{ 弭内完成所有比较器的比较，而 且转换精度不受结构复杂度限制。

但是，P i p e li n e dA D C 和f l a s hA D C 相比，在开始工作时 需要一定的建立时间因此，P i p e li n e dA D c 的转换精度可以做得比f l a s hA D c 高，转换速 率可以做得比S A RA D C 高 下面是关于这四种A D C 的转换速率和转换精度。