本文選題：數(shù)字校正 + 流水線型ADC　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展,對連接模擬世界與數(shù)字世界之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)性能要求越來越高。作為中高精度、速度ADC的代表,流水線型ADC是最常用的ADC之一,應(yīng)用非常廣泛。隨著CMOS工藝的演進(jìn),特征線寬不斷縮小,在保證流水線型ADC高性能的同時,設(shè)計(jì)難度逐漸加大,功耗也變得越來越可觀。數(shù)字輔助校正技術(shù)的提出,使得可以利用數(shù)字信號處理技術(shù)來改善傳統(tǒng)模擬電路的性能,從而將電路性能的提高從模擬域轉(zhuǎn)移到數(shù)字域,使得模擬電路與數(shù)字電路一樣不斷受益于工藝演進(jìn),因而這一方法成為當(dāng)今集成電路設(shè)計(jì)的一個研究熱點(diǎn)。影響流水線型ADC性能的兩大主要因素是級間余量放大器增益誤差和增益數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)電容匹配誤差。為了提高性能,采用數(shù)字校正技術(shù)對這兩類誤差進(jìn)行校正。然而現(xiàn)有的數(shù)字校正技術(shù)存在數(shù)字硬件代價過高、需要增加模擬硬件開銷、校正精度有限等問題。本論文分別從降低數(shù)字硬件代價、降低模擬硬件開銷、提高校正精度等角度出發(fā),對流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)進(jìn)行了研究,主要工作內(nèi)容包括:為了對流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)進(jìn)行研究,需要對系統(tǒng)中的各種非理想因素、電路中各個模塊工作細(xì)節(jié)以及校正算法進(jìn)行模擬,此時建立高層次行為級仿真平臺就變得非常重要。本文采用硬件描述語言Verilog-A和Verilog建立了一個流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)行為級仿真平臺。在電路設(shè)計(jì)完成之后,需要一個真實(shí)的平臺來對校正算法的硬件代價和功耗等進(jìn)行評估,基于這一點(diǎn),建立了一個基于FPGA的流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)驗(yàn)證平臺。這兩項(xiàng)工作為數(shù)字校正算法的研究提供通用的仿真驗(yàn)證平臺,從而為本文后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。為了降低流水線型ADC功耗,采用開環(huán)結(jié)構(gòu)的放大器來作為級間運(yùn)算放大器,對于開環(huán)放大器引入的非線性失真,通常采用基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)字校正算法來校正。傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)字校正算法通常將非線性誤差值存儲在高速ROM(Read Only Memory,ROM)中,然后通過查表法來獲得誤差值。其中存在的問題是需要使用一部分高速ROM,導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本較高,并且校正范圍受到ROM容量的限制。針對這一點(diǎn),提出了一種采用分段線性插值法來估計(jì)級間運(yùn)算放大器非線性誤差的流水線型ADC后臺數(shù)字校正算法。這種算法首先利用信號傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)規(guī)律,通過分段線性插值法來計(jì)算級間運(yùn)算放大器的非線性誤差,然后將該誤差在后級中補(bǔ)償給放大器所在子級的數(shù)字輸出碼,從而達(dá)到校正的目的。該算法中的非線性誤差通過計(jì)算得到,而不是存儲在ROM中,可以降低存儲器開銷,從而降低校正代價。為了對MDAC中級間運(yùn)算放大器誤差和電容不匹配誤差同時進(jìn)行校正,需要建立MDAC傳輸函數(shù)模型。在以前類似的校正算法中,建立MDAC傳輸函數(shù)模型通常需要設(shè)計(jì)專門的參考ADC,這種做法會增加模擬部分電路設(shè)計(jì)難度和模擬電路硬件開銷。鑒于此,提出了一種采用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來建立MDAC傳輸函數(shù)模型,從而估計(jì)非線性誤差,進(jìn)而對該誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臄?shù)字校正算法。這種算法首先利用輸入信號的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來建立MDAC傳輸函數(shù)模型,然后利用該模型來估計(jì)MDAC非線性誤差,最后把估計(jì)所得的誤差在后級進(jìn)行補(bǔ)償。這種校正算法建立MDAC傳輸函數(shù)模型不需要額外設(shè)計(jì)參考ADC,大大降低了模擬電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度和模擬硬件開銷。仿真結(jié)果表明,該算法能有效地消除級間運(yùn)算放大器誤差和電容失配誤差的影響,從而提高ADC的線性度。為了降低流水線型ADC系統(tǒng)功耗,可以選用低增益的運(yùn)算放大器、Class-AB型放大器、開環(huán)放大器等結(jié)構(gòu)的放大器作為級間增益放大器,這一類的放大器非線性失真都比較嚴(yán)重,需要采用數(shù)字方式進(jìn)行校正。針對以前的確定性數(shù)字校正算法采用三次多項(xiàng)式對Class-AB型運(yùn)算放大器傳輸函數(shù)進(jìn)行近似,導(dǎo)致校正精度過低的問題,提出了一種采用測試信號來建立開環(huán)放大器傳輸函數(shù)模型,從而對放大器非線性誤差進(jìn)行校正的確定性數(shù)字校正算法。該算法通過選取最接近實(shí)際情況的傳輸函數(shù)模型對開環(huán)放大器的傳輸函數(shù)進(jìn)行近似來提高校正精度。首先在測試信號的輔助下建立開環(huán)放大器傳輸函數(shù)模型,然后通過該傳輸函數(shù)模型進(jìn)行插值運(yùn)算,最后由后級ADC的數(shù)字輸出碼來估計(jì)理想的運(yùn)算放大器輸入碼值,從而達(dá)到校正目的。仿真結(jié)果表明,該校正技術(shù)能夠明顯地提高校正精度。為了結(jié)合實(shí)際電路對這種校正技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了一款12位、40 MHz采樣率的流水線型ADC。該ADC采用了無采樣保持電路、多位冗余位、逐級縮放、運(yùn)放共享、開環(huán)放大電路等電路設(shè)計(jì)技術(shù),并實(shí)現(xiàn)了版圖。仿真結(jié)果表明,采用該數(shù)字校正算法后,ADC的性能得到了大幅度提高。
[Abstract]:With the rapid development of digital signal processing technology , the performance requirement of analog - to - digital converter ( ADC ) connecting analog world and digital world is more and more high . As a representative of high - precision and speed ADC , this paper studies the digital correction technology of pipelined ADC . In order to reduce the power consumption of pipelined ADC system , an open - loop amplifier transfer function model is set up by using the statistical rule of input signal .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN792

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本文編號：2041113