高速低功耗△∑调制器的设计与实现

论文摘要

随着工艺的进步,过采样△∑A/D只适用于低速高精度领域的观念正在被打破。由于过采样△∑A/D的种种优点以及晶体管速度的提高,使得这种A/D在接收机中得到越来越多的应用。△∑调制器是过采样△∑A/D中的核心组成部分,因此高性能的△∑调制器成为工业界和学术界的研究热点。本论文的工作是设计一个1.25MHz信号带宽,80dB SNDR,1.8V电源电压的△∑调制器,可应用于ADSL。论文首先介绍了过采样△∑A/D的基本原理,其后研究了传统反馈型结构和前馈型结构。前馈型结构能够大幅降低积分器输出摆幅,然而需要一个宽带放大器弥补无源加法器增益损失,消耗较大功耗。本论文采用前馈和反馈混合型结构,节省了宽带放大器,从而达到降低功耗的目的;采用4比特量化,减小量化噪声,增加输入动态范围,降低时钟频率,使功耗进一步降低。论文详细分析了非理想因素对于调制器性能的影响,包括运放有限增益、有限带宽、各种噪声、比较器失调等等。使用MATLAB SDtoolbox进行行为级仿真,并对该仿真工具进行了一定的修正和补充,给出各因素对输出频谱以及积分器输出的影响,确定运放、比较器、电容的设计指标。在此基础上完成电路设计。设计了一种可独立调节两相脉宽的不交叠时钟产生电路,让PH2相借用PH1相12%的时间,以放宽对运放、比较器和DEM单元的速度要求,节省功耗。设计采用UMC 0.18um CMOS工艺,版图面积为1.3mm×1.3mm。后仿真结果显示:在80MHz时钟频率,32倍过采样下,调制器的SNDR达到80.9dB以上,功耗小于11.1mW,FOM值达到0.49pJ/step。对芯片实际测试结果显示:功耗为11.1mW,SNDR为71.3dB,FOM值为1.47pJ/step。经过对测试结果的分析,对比较器进行了失调特性的改进,并完成改进电路的整体设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 过采样△∑A/D 在通讯领域的发展概述
• 1.3 DT △∑A/D，CT △∑A/D 和Pipeline A/D 比较
• 1.4 论文设计目标
• 1.5 论文结构
• 第2章 过采样△∑A/D 的基本原理
• 2.1 模拟信号的量化
• 2.2 过采样技术
• 2.3 噪声整形技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 △∑调制器的结构与性能
• 3.1 本章概述
• 3.2 衡量△∑调制器的指标
• 3.3 工艺尺寸缩小对模拟电路的影响
• 3.4 传统全反馈型△∑调制器
• 3.5 前馈型△∑调制器
• 3.5.1 前馈结构的模型与原理
• 3.6 本论文选择的△∑调制器结构
• 3.6.1 拓扑结构的选择
• 3.6.2 结构中参数的确定
• 3.6.3 理想条件下结构的性能
• 3.6.4 系数变化对调制器性能的影响
• 3.6.5 结构中各点的传输函数
• 3.7 本章小结
• 第4章 非理想因素对△∑调制器的影响
• 4.1 运放非理想因素的影响及运放参数确定
• 4.1.1 运放有限增益的影响
• 4.1.2 运放增益非线性的影响
• 4.1.3 运放有限带宽的影响
• 4.1.4 运放压摆率的影响
• 4.2 D/A 非线性的影响及解决方法
• 4.2.1 D/A 非线性产生的原因
• 4.2.2 解决D/A 中电容失配影响的方法
• 4.3 各种电路噪声的影响
• 4.3.1 开关热噪声的影响
• 4.3.2 运放噪声的影响
• 4.3.3 运放1/f 噪声的影响
• 4.3.4 参考电压源噪声的影响
• 4.3.5 噪声小结
• 4.4 其他非理想因素的影响
• 4.4.1 时钟抖动的影响
• 4.4.2 开关导通电阻及非线性的影响
• 4.4.3 比较器失调的影响
• 4.4.4 非理想加法器的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 △∑调制器的电路设计
• 5.1 整体电路结构
• 5.2 比较器设计
• 5.3 运放设计
• 5.3.1 运放设计指标的确定
• 5.3.2 运放的结构选择
• 5.3.3 运放仿真结果
• 5.3.4 运放仿真小结
• 5.4 开关设计
• 5.5 动态元件匹配（DEM）单元设计
• 5.5.1 DWA 算法的实现
• 5.5.2 DWA 算法在实际电路中的作用
• 5.6 时钟产生电路设计
• 5.7 芯片版图设计
• 5.8 整体仿真结果
• 5.8.1 芯片前仿结果
• 5.8.2 芯片后仿结果
• 5.9 本章小结
• 第6章 △∑调制器的测试及电路改进
• 6.1 测试原理及设备
• 6.2 通用电源板的设计
• 6.2.1 可调的0.2V 以上电压源
• 6.2.2 1.22V 以上电压源
• 6.2.3 参考电压源
• 6.2.4 偏置电流
• 6.2.5 接口设计
• 6.3 测试芯片的PCB 板设计
• 6.4 芯片测试结果
• 6.4.1 测试结果
• 6.4.2 测试结果分析
• 6.5 电路的改进
• 6.5.1 比较器电路的改进
• 6.5.2 版图设计
• 6.5.3 全电路后仿结果
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果