复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（博士士学位论文）高精度、低功耗流水线型模数转换器的研究与设计

学校代码：10246 学 号：061021036 復旦大堡 博士学位论文 高精度、低功耗流水线型模数转换器的研究与设计 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 尹睿 指导教师： 张卫教授 唐长文副教授 完成日期： 2010年10月15日

学校代码： 10246 学 号： 061021036 博 士 学 位 论 文 高精度、低功耗流水线型模数转换器的研究与设计 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 尹 睿 指 导 教 师： 张 卫 教授 唐长文 副教授 完 成 日 期： 2010 年 10 月 15 日

学校代码：10246 学号：061021036 复旦大学博士学位论文 高精度、低功耗流水线型模数转换器的研究与设计 尹睿 指导教师： 张卫教授 唐长文 副教授 指导小组： 张卫教授 洪志良教授 唐长文副教授 王俊宇副研究员 复旦大学信息科学与工程学院微电子学系

学校代码： 10246 学 号： 061021036 复旦大学 博士学位论文 高精度、低功耗流水线型模数转换器的研究与设计 尹 睿 指 导 教 师： 张 卫 教 授 唐长文 副教授 指 导 小 组： 张 卫 教 授 洪志良 教 授 唐长文 副教授 王俊宇 副研究员 复旦大学信息科学与工程学院微电子学系

目录 目录… 图索引 iv 表索引 vii 摘要… 以 Abstract. 七 第一章前言 1.1论文研究背景和动机 7 1.2 国内外研究现状 2 1.3论文研究的主要工作 0 1.4论文的组织结构 4 参考文献… 4 第二章模数转换器概述 9 2.1理想的模数转换器 9 2.2模数转换器相关指标和参数 10 2.2.1静态参数 10 2.2.2动态参数 11 2.2.3性能系数 .13 2.3模数转换器测试原理 .13 2.3.1动态参数测试… ..13 2.3.2静态参数测试… .14 2.4模数转换器的分类.. .17 参考文献 18 第三章流水线ADC关键技术分析 21 3.1流水线模数转换器 21 3.2高精度设计 22 3.2.1数字校正算法分析 23 3.2.2子模数转换器失调误差校正 27 3.2.3底极板采样技术. 29 3.3低功耗设计 30 3.3.1级间运放共享.. 32 3.3.2逐级递减 .32 3.4非理想因素分析.… 33

i 目录 目录................................................................................................................... i 图索引............................................................................................................. iv 表索引............................................................................................................ vii 摘要................................................................................................................. ix Abstract........................................................................................................... xi 第一章 前言 .....................................................................................................1 1.1 论文研究背景和动机 ............................................................................1 1.2 国内外研究现状 ...................................................................................2 1.3 论文研究的主要工作 ............................................................................3 1.4 论文的组织结构 ...................................................................................4 参考文献.......................................................................................................4 第二章 模数转换器概述 ...................................................................................9 2.1 理想的模数转换器................................................................................9 2.2 模数转换器相关指标和参数 ...............................................................10 2.2.1 静态参数......................................................................................10 2.2.2 动态参数...................................................................................... 11 2.2.3 性能系数......................................................................................13 2.3 模数转换器测试原理 ..........................................................................13 2.3.1 动态参数测试...............................................................................13 2.3.2 静态参数测试...............................................................................14 2.4 模数转换器的分类..............................................................................17 参考文献.....................................................................................................18 第三章 流水线 ADC 关键技术分析.................................................................21 3.1 流水线模数转换器..............................................................................21 3.2 高精度设计 ........................................................................................22 3.2.1 数字校正算法分析 .......................................................................23 3.2.2 子模数转换器失调误差校正 .........................................................27 3.2.3 底极板采样技术...........................................................................29 3.3 低功耗设计 ........................................................................................30 3.3.1 级间运放共享...............................................................................32 3.3.2 逐级递减......................................................................................32 3.4 非理想因素分析 .................................................................................33

3.4.1电容误差 33 3.4.2运放增益误差 35 3.4.3信号建立精度. 35 3.4.4流水线级误差分析 .37 3.4.5时钟抖动， 37 3.5 Matlab行为级模型 39 参考文献。 44 第四章双输入开关内置运放共享MDAC. 。。 47 4.1传统运放共享结构存在的问题... 47 4.1.1记忆效应 47 4.1.2级间串扰. 49 4.1.3运放共享开关的电荷注入和时钟馈通 50 4.2前人的解决方案 52 4.2.1增加隔离开关。 52 4.2.2运放电流复用. 52 4.2.3串联双输入差分对运放 54 4.3双输入开关内置运放共享MDAC 55 4.3.1双输入开关内置运放共享MDAC的结构和原理 55 4.3.2运放共享开关控制时序 57 4.3.3运放偏置电路 59 4.3.4共模反馈电路 60 4.4电路仿真. 61 参考文献 61 第五章ADC设计和仿真.. 63 5.1流水线模数转换器结构 63 5.2采样保持电路设计… 64 5.2.1采样保持电路结构 64 5.2.2运放设计. 67 5.2.3开关设计 73 5.2.4采样保持电路仿真 78 5.3比较器 79 5.4时钟生成电路 80 5.5数字校正电路 81 5.6参考电压电流产生电路 82 5.7整体ADC仿真.. 82 5.8ADC版图设计 85

ii 3.4.1 电容误差......................................................................................33 3.4.2 运放增益误差...............................................................................35 3.4.3 信号建立精度...............................................................................35 3.4.4 流水线级误差分析 .......................................................................37 3.4.5 时钟抖动......................................................................................37 3.5 Matlab 行为级模型.............................................................................39 参考文献.....................................................................................................44 第四章 双输入开关内置运放共享 MDAC........................................................47 4.1 传统运放共享结构存在的问题............................................................47 4.1.1 记忆效应......................................................................................47 4.1.2 级间串扰......................................................................................49 4.1.3 运放共享开关的电荷注入和时钟馈通...........................................50 4.2 前人的解决方案 .................................................................................52 4.2.1 增加隔离开关...............................................................................52 4.2.2 运放电流复用...............................................................................52 4.2.3 串联双输入差分对运放 ................................................................54 4.3 双输入开关内置运放共享 MDAC........................................................55 4.3.1 双输入开关内置运放共享 MDAC 的结构和原理...........................55 4.3.2 运放共享开关控制时序 ................................................................57 4.3.3 运放偏置电路...............................................................................59 4.3.4 共模反馈电路...............................................................................60 4.4 电路仿真............................................................................................61 参考文献.....................................................................................................61 第五章 ADC 设计和仿真 ..............................................................................63 5.1 流水线模数转换器结构.......................................................................63 5.2 采样保持电路设计..............................................................................64 5.2.1 采样保持电路结构 .......................................................................64 5.2.2 运放设计......................................................................................67 5.2.3 开关设计......................................................................................73 5.2.4 采样保持电路仿真 .......................................................................78 5.3 比较器................................................................................................79 5.4 时钟生成电路.....................................................................................80 5.5 数字校正电路.....................................................................................81 5.6 参考电压电流产生电路.......................................................................82 5.7 整体 ADC 仿真...................................................................................82 5.8 ADC 版图设计....................................................................................85

5.8.1版图基本原则.. 85 5.8.2各模块版图布局和设计 87 5.8.3ADC整体版图布局.… 90 参考文献 90 第六章流片测试与电路改进 .93 6.1测试方案 93 6.2 PCB设计 94 6.3测试平台 96 6.4测试结果 .96 6.5电路改进 .103 参考文献 .107 第七章总结与展望 .109 7.1总结. .109 7.2未来工作展望 111 致谢 113 发表论文及专利 .114

iii 5.8.1 版图基本原则...............................................................................85 5.8.2 各模块版图布局和设计 ................................................................87 5.8.3 ADC 整体版图布局 ......................................................................90 参考文献.....................................................................................................90 第六章 流片测试与电路改进 ........................................................................93 6.1 测试方案............................................................................................93 6.2 PCB 设计...........................................................................................94 6.3 测试平台............................................................................................96 6.4 测试结果............................................................................................96 6.5 电路改进..........................................................................................103 参考文献...................................................................................................107 第七章 总结与展望 ......................................................................................109 7.1 总结 .................................................................................................109 7.2 未来工作展望................................................................................... 111 致谢.............................................................................................................. 113 发表论文及专利............................................................................................ 114