高速折叠插值模数转换器的研究与设计

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随着无线通信、计算机技术等数字化处理技术的飞速发展,高速模数转换器作为其中的重要组成模块,其应用也越来越广泛。如今,无线通信系统中的数据传输与处理速率越来越快,已经达到GS/s以上,这对系统中的模数转换器的设计也提出了很大的挑战。为了获得如此高的转换速率,折叠插值结构模数转换器是一个很好的选择,因为这种结构具有与全并行结构相近的转换速率,同时在面积和功耗方面均优于全并行结构。所以,研究折叠插值结构模数转换器具有十分重大的现实意义。本文从折叠插值模数转换器的基本结构入手,分析研究了折叠和插值技术各自的功能以及电路实现方法,对比了不同实现方法的优缺点。在充分考虑了电路规模和复杂性的基础上,通过理论分析计算,确定了粗细量化通道分别完成高3位和低5位的量化转换;并基于本文对速率和功耗的考虑,运用了级间流水线、级联失调平均和粗细量化通道协同编码等技术对基本结构进行了改进;提出三与非门火花码校正方案对关键第6位进行编码,提高了高速转换过程中数字编码的可靠性;详细介绍了折叠插值模数转换器中各关键电路模块的设计,包括采样保持电路、折叠插值电路、参考电压串与预放大电路、比较器电路和数字编码电路。本文最终在TSMC0.18μm CMOS工艺下具体实现了1GS/s采样率、8bit分辨率的折叠插值模数转换器的设计,在Cadence仿真工具下完成了各个关键电路模块的设计与仿真。完成了整个系统的版图设计,芯片面积是1.5×1.4m2。提取版图寄生参数,进行后仿真,结果表明,在1GS/s采样率下输入信号频率为500MHz时,SNDR为45.09dB,SFDR为53.17dB,ENOB为7.20位,功耗是342mW。经流片测试结果表明,在200MS/s采样率下,最高ENOB达5.86bit,经过数字校正后精度可达7.0bit。
摘要第4-5页
Abstract第5页
第1章 绪论第8-12页
    1.1 高速模数转换器研究背景及意义第8页
    1.2 折叠插值ADC国内外研究现状第8-9页
    1.3 本文主要研究内容与设计指标第9-12页
第2章 模数转换器基础理论第12-20页
    2.1 模数转换器的原理第12页
    2.2 模数转换器性能参数第12-16页
        2.2.1 静态参数第12-14页
        2.2.2 动态参数第14-16页
    2.3 高速模数转换器的常见结构第16-19页
        2.3.1 全并行结构模数转换器(Flash ADC)第16-17页
        2.3.2 两步式模数转换器(Two-Step ADC)第17页
        2.3.3 流水线结构模数转化器(Pipeline ADC)第17-18页
        2.3.4 折叠插值模数转换器(F&I,Folding and Interpolating ADC)第18页
        2.3.5 高速模数转换器性能比较第18-19页
    2.4 小结第19-20页
第3章 折叠插值ADC电路结构分析第20-34页
    3.1 折叠插值ADC概述第20页
    3.2 折叠技术第20-27页
        3.2.1 折叠电路的功能第20-22页
        3.2.2 折叠电路实现方法第22-23页
        3.2.3 折叠电路非理想效应第23-25页
        3.2.4 折叠电路的优化第25-27页
    3.3 插值技术第27-28页
        3.3.1 电压插值第27页
        3.3.2 电流插值第27-28页
    3.4 折叠插值ADC整体结构设计第28-33页
        3.4.1 折叠插值ADC结构参数分析第28-29页
        3.4.2 折叠插值ADC整体结构第29-30页
        3.4.3 粗细量化通道协同编码第30-33页
    3.5 小结第33-34页
第4章 折叠插值ADC关键电路的设计与仿真第34-58页
    4.1 采样保持电路第34-39页
        4.1.1 采样保持电路非理想因素分析第34-37页
        4.1.2 采样保持电路设计第37-39页
        4.1.3 采样保持电路仿真结果第39页
    4.2 预放大器与分压电阻串第39-44页
        4.2.1 预放大器带宽要求第40页
        4.2.2 预放大器电路设计第40-41页
        4.2.3 分压电阻串第41-43页
        4.2.4 预放大器仿真结果第43-44页
    4.3 折叠插值电路设计第44-49页
        4.3.1 折叠插值电路误差分析第44-46页
        4.3.2 折叠插值电路设计第46-48页
        4.3.3 折叠插值电路仿真结果第48-49页
    4.4 级间采样保持电路第49-50页
    4.5 比较器电路第50-53页
        4.5.1 比较器电路设计第50-52页
        4.5.2 比较器电路仿真结果第52-53页
    4.6 数字编码电路第53-55页
        4.6.1 火花码消除电路第53-54页
        4.6.2 ROM编码电路第54-55页
    4.7 系统前仿真结果第55-57页
    4.8 小结第57-58页
第5章 折叠插值ADC的版图设计第58-74页
    5.1 版图设计考虑第58-60页
        5.1.1 匹配性设计第58页
        5.1.2 抗干扰设计第58-59页
        5.1.3 闩锁效应第59页
        5.1.4 天线效应第59-60页
    5.2 关键路径的布局布线第60-62页
    5.3 后仿真结果验证第62-63页
    5.4 芯片测试第63-72页
        5.4.1 芯片介绍第64页
        5.4.2 测试方案第64-67页
        5.4.3 测试结果第67-72页
    5.5 小结第72-74页
第6章 总结与展望第74-76页
致谢第76-78页
参考文献第78-82页
攻读硕士学位期间发表论文第82页
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