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1、湖南大学 硕士学位论文 流水线模数转换器的研究与设计 姓名：黄岩 申请学位级别：硕士 专业：信息与通信工程 指导教师：王春华 20100517 硕士学位论文 摘要 随着无线通信系统及便携式视频影像设备的快速增长，如通讯中的无线局域 网，消费产品中的手机、高清晰度电视等，对于低功率及高转换速率的集成电路 有着不可或缺的需求。在现有的模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t o r ，简称A D C 或A D 转换器) 结构中，流水线结构在能达到高速的输入性能和快速的处理能力 方面被证明是最有效的A D C 结构。 本论文以提高采样速率为目
2、标，采用T S M C0 1 8 “mC M O S 工艺，设计了一 个具有1 2b i t ，2 0 0 M s p s 的流水线模数转换器，研究成果及创新点如下： ( 1 ) 提出了新型的基于C C I I 的双采样保持电路，打破了传统的采样一保持一采样的 模式，合理的利用了时间实现了采样保持采样和保持一采样一保持两种模式同 时进行，实现了2 0 0 M s p s 的采样速率。通过P S P I C E 仿真表明该电路具有良 好的性能。 ( 2 ) 提出了新型的基于C C I I 的乘法型数模转换器( m u l t i p l y i n gd i g i t a l t oa n a
3、 l o g c o n v e r t o r ，简称M D A C ) 电路，实现了采样速率翻倍与电压余差值的放大，很 好的实现了M D A C 的功能，同时采样速率也达到了2 0 0 M s p s ，通过P S P I C E 仿真表明，此M D A C 电路具有高性能。 本论文在提出的流水筏A D C 的基础上，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 前1 0 级用了每级1 5b i t 精度，最后一级2b i tF l a s h A D C 的流水线结构，并采 用数字校正电路对各级间误差进行校正。 ( 2 ) 模块电路包括双采样保持电路、S u b A D C 、S u b
4、D A C 、时钟产生电路、延时 电路和数字校正电路等。 ( 3 ) 整个电路用单个时钟控制，采用时钟树来降低时钟电路的负载，同时采用双 边沿D 触发器实现延时电路。 ( 4 ) 编码电路采用基于电流模式逻辑门电路的解码方式，将温度计码转换成二进 制码，进一步提高转换速度和降低误码率。 流水线A D C 仿真结果表明，1 2b i tA D C 最高采样速率达2 0 0 M s p s ，积分非线 性和微分非线性误差分别小于O 9 5 L S B 和1 0 l l L S B ，在5 M H z 的正弦输入信号下， 电源电压为1 8 V 下，功耗小于1 6 5 m W 。 关键宇：流水线模数转
5、换器；双采样；第二代电流传输器；乘法型数模转换器； 数字校正电路 流水线模数转换器的研究与设计 A b s t r a c t W i t ht h er a p i dg r o 、玑ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dp o r t a b l eV i d e o d e V i c e ，s u c ha sw i r e l e s sL A Ni nc o m m u n i c a t i o n ，c e l lp h o n ea n dh i g h r e s o l u t i o
6、n d i g i t a lT Vi nc u s t o me l e c t r o n i cp r o d u c t s ，t h ed e m a n df o rl o w p o w e ra n dh i g h s p e e d i n t e g r a t e d c i r c u i t si si n d i s p e n s a b l e I na l lo fA D C( a n a l o g t o - d i g i t a l c o n V e r r t o r ， r e f e r r e dt oa sA D Co r 刖Dc o n
7、 V e r t o r ) a r c h i t e c t u r e s ，p i p e l i n ea r c h i t e c t l l r eh a st ob et h e m o s te m c i e n tf o ra c h i e V i n gag o o dh i g hi n p u tf r e q u e n c yd y n a m i cp e r f 0 咖a n c ea I l da h i g ht h r o u g h p u t T h i sp a p e ra i m e dt oi m p r o V et h es 锄p
8、l i n gr a t ea n dd e s i g n e dal2b i t2 0 0 M s p s p i p e l i n e da n a l o g - t o d i g i t a l c o n V e r t e r i n d e e p s u b m i c r o nT S M C0 18 p mC M O S t e c h n o l o g y R e s e a r c ha n di n n o V a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) T h et h e s i sp u tf o r w a r dan
9、 e wC C I I - b a s e dd o u b l i n gs a m p l e a n d h o l dc i r c u i t B r e a k i n gt h et r a d i t i o n a ls a m p l e - h 0 1 d - s a m p l em o d e ， t h eD S Hc i r c u i t a c h i e V e sa r e a s o n 2 l b l eu s eo ft i m ea n da c h i e V e st h et w om o d e so fs a m p l e h o l
10、d - s a m p l ea n dk e e p h o l d s a m p l e h o l da t t h es 锄et i m e ， a c h i e V i n g2 0 0 M s p ss a m p l i n g r a t e T h r o u g h P S P I C Es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ec i r c u i th a sg o o dp e r f 0 彻a n c e ( 2 ) T h et h e s i sp u tf o r w a r dan e wm u l t i p I
11、 y i n gd i g i t a lt oa n a l o gc o n V e r t e r ( m u l t i p l y i n gd i g i t a lt o 锄a l o gc o n V e r t o r ，r e f e r r e dt oa sM D A C ) c i r c u i t sb a s e do n C C I I ，a c h i e V i n gd o u b l e l ys a n l p l i n gr a t ea n dt h ed i f f e r e n c eo fm a g n i f i c a t i o
12、n ag o o d r e a l i z a t i o no ft h eM D A Cf u n c t i o n ，w h i l et h es a m p l i n gr a t ea l s or e a c h e da2 0 0 M s p s T l l r o u g hP S P I C Es i m u l a t i o n ss h o wt h a tM D A Cc i r c u i tw i t hh i g hp e r f o m a n c e B a s e do np i p e l i n eA D C ，t h em a i nc o
13、n t e n to ft h i sw o r k si n c l u d e sa sf o l l o w ( 1 ) T h e l0 一s t a g e ，1 5 b i t s t a g ea n d 2b i tn a s hA D Cl a s t s t a g e s t r u c t u r ei s i n t r o d u c e d A n dd i g i t a lc o r r e c t i o nc i r c u i t sa r ea d d e dt 0d i m i n i s he r r o r sb e t w e e n s t
14、a g e s ( 2 ) T h ew h o l ec i r c u i tc o n s i s t so ft h ed o u b l i n gs a m p l e - a n d h 0 1 dc i r c u i t ，t h e S u b A D C ，t h eS u b - D A C ，t h ec l o c kg e n e r a t o r t h et i m es y n c h r o n i z e ra n dt h ed i g i t a l c a l i b r a t i o nc i r c u i t ( 3 ) T h eA D
15、 Cc i r c u i t sa r ec o n t r o l e db yas i n g l ec l o c k T h ec l o c ki su s i n gt h ec l o c k t r e et or e d u c et h el o a do nt h ec i r c u i ta n du s i n gd o u b l ee d g en i p - n o pt oa c h i e V ed e l a y c i r c u i t ( 4 ) D e c o d e rc i r c u i tm a k eu s eo fd e c o d
16、 i n gm e t h o db a s e do nc u r r e n tm o d el o g i c g a t e c i r c u i t ：t h et h e r m o m e t e rc o d ea r ec o n V e r t e di n t o b i n 觚了c o d ew h i c hf u r t h e r I l I 硕一l ：学位论文 i 】：n p r o v et h ec o n v e r s i o ns p e e do fd e c o d e r a n dr e d u c e st h eA D C se r r o r r a t e B e s i d e s ，t h ep a p e rd o e ss i m u l a t i o nt ot h ep i p e l i n eA D C S i m u I a t i o nr e s u l t ss
