數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬世界與數(shù)字信號處理的橋梁,在信號鏈中具有舉足輕重的作用。特別是高速高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,除了現(xiàn)代通信系統(tǒng)、高端儀器儀表應(yīng)用之外,還廣泛應(yīng)用于武器裝備的研發(fā),例如電子戰(zhàn)系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)。隨著集成電路尺寸的縮小,晶體管的本征增益變小,模擬電路的設(shè)計越來越困難,但是,數(shù)字電路能量效率越來越高。此外,一些參數(shù)如晶體管的輸出阻抗,隨著工藝、溫度和偏置電壓而變化。為了進(jìn)一步降低功耗,人們尋求利用數(shù)字信號處理解決模擬電路的這些非理想特性。本博士課題正是利用這個設(shè)計理念,開發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)以解決比較器失調(diào)、無采樣保持放大器流水線ADC中采樣時間偏差、大幅度擾動注入、DAC時鐘相位校準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。首先,本論文提出了一種低功耗加速比較器結(jié)構(gòu)和比較器失調(diào)電壓的后臺校準(zhǔn)方法。低功耗加速比較器中增加了一個額外電流通路,并且在比較完成后關(guān)閉此支路。此外,在采樣階段對比較器進(jìn)行了額外的一次比較�；谶@個比較結(jié)果,采用無源的積分網(wǎng)絡(luò)和一個額外的差分對補償比較器失調(diào)電壓。本論文在16位150MSPSADC的原型芯片中驗證了上述技術(shù)。測試結(jié)果表明了比較器校準(zhǔn)技術(shù)的有效性。其次,本論文提出了無采樣保持放大器流水線ADC中比較器失調(diào)和采樣時間偏差的后臺校準(zhǔn)方法。通過處理比較器閾值點附近的殘差,它可以同時檢測比較器靜態(tài)失調(diào)和二輸入路徑采樣時間偏差和帶寬失配引起的動態(tài)失調(diào)大小。本論文在行為級模型中驗證了此技術(shù),仿真結(jié)果表明有效位可以從5.04位提升至11.96位,SFDR也提高了50.7dB。后臺校準(zhǔn)使得比較器失調(diào)電壓不再嚴(yán)格受限,降低了比較器設(shè)計要求。更重要的是,它可以極大地提升無采保放大器架構(gòu)流水線ADC的最高輸入頻率。第三,本論文提出了一個大幅度擾動信號注入技術(shù)。此擾動注入既未損失ADC的動態(tài)范圍,也未惡化相應(yīng)放大器的線性度。本論文分析了適合大幅度擾動注入的流水線ADC架構(gòu),開發(fā)了一個拆分結(jié)構(gòu)的開關(guān)電容式數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),能夠?qū)崿F(xiàn)幅度范圍為[-511/1024,511/1024]LSB的擾動信號注入。為了避免放大器輸出溢出,本論文開發(fā)了一個新型的比較器閾值產(chǎn)生電路,其中嵌入了兩個互補的電流舵DAC,可以實現(xiàn)高達(dá)6位的比較器擾動注入。此外,注入擾動幅度設(shè)計為可調(diào)。本論文將擾動注入電路實現(xiàn)在16位150MSPS的ADC中,并且在0.18微米的工藝上流片。測試結(jié)果表明最優(yōu)的擾動注入是幅度最大的9位注入:與無擾動注入的情況相比,在兩種不同測試配置下小信號和大信號的SFDR分別至少提高了 15dB和6dB。此外,擾動注入使得噪聲譜很干凈。最后,本論文提出了一個高速DAC時序校準(zhǔn)的方法。在電流舵DAC中,同時滿足不同工藝、電壓、溫度條件下,模擬時鐘與數(shù)字時鐘域輸出數(shù)據(jù)之間的建立保持時間和模擬時鐘高頻譜純度的要求,給設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。針對此挑戰(zhàn),本論文開發(fā)了一個檢測和校正建立保持時間違反的混合信號系統(tǒng)。本論文設(shè)計了一個高能效的,新穎架構(gòu)的4位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它的硬件開銷很小。其與鑒相器一塊構(gòu)成了時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器,用來量化相位差。檢測電路和校準(zhǔn)電路連同一個13位2.4GHz的DAC在0.18微米的CMOS工藝上實現(xiàn)了流片驗證。測試結(jié)果表明了上述技術(shù)的有效性。這個時序校準(zhǔn)電路不僅可以提高數(shù)模轉(zhuǎn)換器的成品率,而且可以提升高精度DAC的最高時鐘頻率。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN792
【部分圖文】：

比（ＳＮＲ）和無雜散動態(tài)范圍（ＳＦＤＲ）的由來。最后探討了系統(tǒng)發(fā)展對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器??性能的需求和挑戰(zhàn)。??常用的幾種收發(fā)機架構(gòu)如圖１．３所示ｌ１１＾。圖１．３（ａ）為超外差結(jié)構(gòu)接收機，??２??

在當(dāng)前追求小尺寸、低重量、低功耗和低成本（ＳＷａＰ－Ｃ）并希望獲得寬帶寬的背??景下，這些挑戰(zhàn)難度極大。??圖１．３（ｂ）是直接采樣架構(gòu)。這種架構(gòu)很難同時實現(xiàn)兩個目標(biāo)：一是使轉(zhuǎn)換??器工作于直接采樣所需的速率，二是實現(xiàn)大輸入帶寬。在這種架構(gòu)中，全部接??收機增益都位于工作頻段。如果接收機增益比較高，必須非常細(xì)心地布局布線??以避免振蕩的出現(xiàn)。直接采樣目前在Ｌ、Ｓ波段具有實用性。其主要挑戰(zhàn)在于，??ＡＤＣ輸入帶寬在應(yīng)用頻率范圍內(nèi)增益需要保持平坦，因此需要ＡＤＣ的輸入帶寬??足夠高。??圖１．３（ｃ）直接變頻架構(gòu)對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬的使用效率最高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第??３??

１０?１００?Ｉｋ?１０ｋ?１００ｋ?１Ｍ?１０Ｍ?１００Ｍ?１Ｇ?１０Ｇ?１００Ｇ??采樣率（Ｈｚ）??圖１．２模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)、采樣率、分辨率的關(guān)系圖??它利用一次或者多次變頻，將接收到的信號混頻至中頻（ＩＦ）。ＩＦ需選擇合適的??頻率，使得實際濾波器在工作頻帶中能夠提供良好的鏡像抑制和ＬＯ隔離。當(dāng)所??用ＡＤＣ具有很高動態(tài)范圍時，通常情況下增加一個混頻級以降低待采樣信號頻??率。此外，接收機增益分布在不同的頻率上，這使得高增益接收機發(fā)生振蕩的??風(fēng)險很小。通過合適的頻率規(guī)劃，超外差接收機可以實現(xiàn)非常好的性能。但是，??這種架構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜，需要大量的濾波器。相對于其所用帶寬，這種架構(gòu)的功耗??和尺寸通常也是最大的。此外，對于較大帶寬應(yīng)用，其頻率規(guī)劃變得非常困難。??在當(dāng)前追求小尺寸、低重量、低功耗和低成本（ＳＷａＰ－Ｃ）并希望獲得寬帶寬的背??景下
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本文編號：2840621