本文關(guān)鍵詞：高速ADC IP參考電壓的電荷補(bǔ)償技術(shù)

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【摘要】：高速發(fā)展的SOC技術(shù)對ADC提出了高性能低功耗的要求。作為量化“標(biāo)尺”的參考電壓的精度、穩(wěn)定性及噪聲性能等直接影響ADC的性能。由于開關(guān)電容式ADC在其轉(zhuǎn)換工作時(shí)會(huì)向參考電壓上汲取或饋入電荷,導(dǎo)致參考電壓的抖動(dòng)。為了集成化和低成本設(shè)計(jì),高速高精度的ADC需要在芯片內(nèi)集成參考電壓驅(qū)動(dòng)器以得到穩(wěn)定的參考電壓。但較易集成的寬帶參考電壓驅(qū)動(dòng)器會(huì)消耗很大的功耗,且引入很大的電路噪聲,其電源抑制能力也非常弱,這對于強(qiáng)調(diào)低功耗的設(shè)計(jì)是非常不利的。窄帶的參考驅(qū)動(dòng)器可以改善寬帶參考驅(qū)動(dòng)器所存在的功耗和噪聲問題,但為了快速的參考驅(qū)動(dòng),它需要在片外外接大的解耦電容,需要占用額外PIN腳,使得封裝變大;特別是在高速ADC中,由于開關(guān)電容的快速切換對參考電壓的電荷注入,動(dòng)態(tài)的電荷注入與邦定線寄生電感導(dǎo)致片內(nèi)參考電壓發(fā)生振蕩,此時(shí)為了使得參考電壓依然保持足夠的精度,需要在片內(nèi)也加入大的解耦電容來吸收電荷,這也意味著窄帶參考驅(qū)動(dòng)器需要占用大的片內(nèi)面積;因此窄帶參考驅(qū)動(dòng)器很難滿足SOC易于集成的要求。用于高速高精度ADC的低功耗參考驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為了決定ADC是否能實(shí)現(xiàn)低功耗集成的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文分析、總結(jié)了現(xiàn)有參考驅(qū)動(dòng)技術(shù),得出低功耗參考驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要受限于ADC中參考電壓的電荷損失的結(jié)論。為了降低低功耗窄帶參考驅(qū)動(dòng)的片內(nèi)解耦電容面積,對ADC中參考電壓的電荷損失進(jìn)行了量化分析,進(jìn)而提出了一種用于高速開關(guān)式ADC參考電壓的電荷補(bǔ)償技術(shù)。為了驗(yàn)證參考電壓電荷補(bǔ)償技術(shù)的作用,設(shè)計(jì)了基于不同結(jié)構(gòu)ADC的的仿真驗(yàn)證電路和芯片驗(yàn)證。首先,基于電荷補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了一款12-bit 500MS/s Pipelined ADC的電荷補(bǔ)償電路,驗(yàn)證在低功耗的窄帶參考電壓驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下,不使用片外解耦電容時(shí)電荷補(bǔ)償技術(shù)對降低片內(nèi)解耦電容面積的作用。晶體管級仿真結(jié)果顯示,在不使用片外解耦電容且片內(nèi)解耦電容僅為170pF的情況下,加入電荷補(bǔ)償電路后ADC的SNDR和SFDR有了至少9dB和12dB的提高。其次,設(shè)計(jì)了一款11-bit 200MS/s Subranged SAR ADC及其電荷補(bǔ)償電路,并基于該電路進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)和后仿真,后仿真結(jié)果顯示,在加入電荷補(bǔ)償技術(shù)后,SNDR和SFDR有了至少2dB和11d B的提高。最后,實(shí)現(xiàn)了帶有電荷補(bǔ)償技術(shù)的11-bit 200MS/s Subranged SAR ADC芯片設(shè)計(jì)并流片。利用電荷補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電荷補(bǔ)償電路具有邏輯簡單、面積小、功耗低、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】：電荷補(bǔ)償 低功耗 開關(guān)電容 參考電壓驅(qū)動(dòng)器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN792
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-14
• 1.1 課題背景及意義8
• 1.2 研究現(xiàn)狀8-12
• 1.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器研究現(xiàn)狀8-11
• 1.2.2 高速ADC參考電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 本研究主要貢獻(xiàn)及文章組織架構(gòu)12-14
• 1.3.1 主要貢獻(xiàn)12
• 1.3.2 本文組織架構(gòu)12-14
• 第2章 高速ADC參考電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述14-27
• 2.1 開關(guān)電容式ADC參考電壓驅(qū)動(dòng)的電荷損失問題14-15
• 2.2 寬帶參考電壓驅(qū)動(dòng)器15-19
• 2.2.1 負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)參考電壓驅(qū)動(dòng)器15-18
• 2.2.2 源極跟隨器結(jié)構(gòu)參考電壓驅(qū)動(dòng)器18-19
• 2.3 窄帶參考電壓驅(qū)動(dòng)器19-21
• 2.4 片外參考驅(qū)動(dòng)21
• 2.5 高速低功耗參考電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)21-27
• 2.5.1 校準(zhǔn)技術(shù)22
• 2.5.2 可變參考電壓驅(qū)動(dòng)器22-23
• 2.5.3 用于Pipelined ADC的參考補(bǔ)償技術(shù)23-25
• 2.5.4 用于SAR ADC的參考補(bǔ)償技術(shù)25-27
• 第3章 用于開關(guān)電容式ADC參考電壓的電荷補(bǔ)償技術(shù)27-47
• 3.1 開關(guān)電容式ADC參考電壓電荷損失分析27-30
• 3.1.1 參考電壓電荷損失27-28
• 3.1.2 參考電壓電荷損失的量化28-30
• 3.2 開關(guān)電容式ADC參考電壓的電荷補(bǔ)償技術(shù)30-46
• 3.2.1 電荷補(bǔ)償技術(shù)的提出30-32
• 3.2.2 電荷補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)32-36
• 3.2.3 電荷釋放電路設(shè)計(jì)36-40
• 3.2.4 兩種電荷補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方式對比40-41
• 3.2.5 精確補(bǔ)償41-46
• 3.3 小結(jié)46-47
• 第4章 電荷補(bǔ)償技術(shù)的仿真驗(yàn)證47-50
• 4.1 驗(yàn)證用Pipelined ADC基本結(jié)構(gòu)47-48
• 4.2 仿真結(jié)果48-50
• 第5章 電荷補(bǔ)償技術(shù)的芯片驗(yàn)證50-73
• 5.1 驗(yàn)證方案50
• 5.2 11-bit 200MS/s Subranged SAR ADC50-53
• 5.2.1 ADC結(jié)構(gòu)及工作原理50-52
• 5.2.2 理想?yún)⒖枷翧DC仿真結(jié)果52-53
• 5.3 帶有使能控制的電荷補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)53-63
• 5.3.1 CDAC根據(jù)溫度碼DA轉(zhuǎn)換時(shí)參考電壓電荷損失量化分析53-56
• 5.3.2 第一級電荷補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)56-58
• 5.3.3 SAR ADC轉(zhuǎn)換期間參考電壓電荷損失58-60
• 5.3.4 片上參考電壓驅(qū)動(dòng)器60-61
• 5.3.5 ADC前仿真結(jié)果對比及分析61-63
• 5.4 版圖寄生分析及后仿真結(jié)果63-70
• 5.4.1 ADC版圖63-64
• 5.4.2 電荷補(bǔ)償電路寄生分析及版圖64-68
• 5.4.3 后仿真結(jié)果68-70
• 5.5 芯片布局70-73
• 5.5.1 芯片設(shè)計(jì)考慮70-71
• 5.5.2 芯片結(jié)構(gòu)71-72
• 5.5.3 總體版圖布局72-73
• 第6章 總結(jié)及展望73-74
• 6.1 論文總結(jié)73
• 6.2 工作展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-77
• 致謝77-79
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果79

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本文編號：708209