【摘 要】
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模数转换器（ADC）能将连续模拟信号转化为离散的数字信号,在通信系统中扮演着重要的角色。如今,通信系统对信号处理的要求不断朝高速和高精度方向发展,在众多结构的ADC中,流水线ADC因其同时具备较高速度与精度的特性,被广泛运用于无线通信领域。本文基于东部0.18μm BCD工艺实现了一款14位100MSPS无采样保持结构的流水线ADC。文章首先对流水线ADC的结构原理以及冗余位数字校正算法进行了分析
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模数转换器（ADC）能将连续模拟信号转化为离散的数字信号,在通信系统中扮演着重要的角色。如今,通信系统对信号处理的要求不断朝高速和高精度方向发展,在众多结构的ADC中,流水线ADC因其同时具备较高速度与精度的特性,被广泛运用于无线通信领域。本文基于东部0.18μm BCD工艺实现了一款14位100MSPS无采样保持结构的流水线ADC。文章首先对流水线ADC的结构原理以及冗余位数字校正算法进行了分析,讨论了流水线ADC中各种非理想效应,根据非理想效应中的热噪声约束和运放带宽约束式,建立了流水线ADC在不同子级量化位数和电容缩减系数下的功耗模型,根据模型结果确定了每级的量化位数和电容缩减系数,最终整体流水线ADC采用2.5bit*3+1.5bit*5+3bit的级数分配,共9级。针对DAC电容失配的影响,提出了一种前台校正技术,经验证能有效提升ADC动态性能。为了减少功耗本设计采用无采样保持结构,在分析该结构下采样时刻偏差和采样网络带宽失配带来的影响的基础上,提出了一种首级流水线子ADC和MDAC采样网络结构。在具体电路设计方面,本文分析了MDAC中记忆电荷的影响并提出一种记忆电荷消除结构,稳定了前级流水线运放的工作状态;首级流水线中的运放采用两级全差分结构,并加入了辅助运放来提高增益,经验证运放在各个工艺角下均实现105d B以上的开环增益和400MHz以上的闭环带宽;为保证采样网络带宽在不同输入信号下维持不变,第一级流水线采用栅压自举开关来减小导通电阻的变化,相比传统的结构,本文设计的栅压自举开关新增了快速开启关断和衬底偏置效应消除模块,输入信号频率位于奈奎斯特频率范围内时,栅压自举开关的有效位数ENOB能达15.9bit以上;由于无采样保持结构ADC首级中的比较器失调电压必须足够小,为采样时刻偏差和采样带宽失配预留更多的误差范围,首级流水线采用一种带预放大器和输入失调消除结构的比较器,响应时间为285ps,失调电压标准差1.83m V。后级流水线中的比较器相比首级少了很多限制,故采用一种四输入且带预放大器结构的比较器,以此来减小面积和功耗,后级比较器响应时间90ps,失调电压标准差5.67m V;时钟电路产生三相时钟信号,其中两相非交叠时钟信号用于控制流水线的工作状态并完成下极板采样,第三相时钟用于产生消除记忆电荷的信号。整体流水线ADC工作电压和满量程电压为1.8V,功耗138.6m W,版图宽0.6mm,长1.4mm,面积为0.84mm2。后仿结果表明,在100MHz的采样频率下,输入峰峰值接近满量程电压且频率为9.716MHz的正弦信号时,整体流水线ADC的SFDR为87.30d B,SNDR为79.07d B,有效位数ENOB达到12.84位;当输入信号频率达到49.75MHz时,SFDR为85.91d B,SNDR为78.69d B,有效位数ENOB达到12.78位。
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