1-0 MASH型Pipelined SAR模数转换器的关键技术研究

作     者：王慧铭 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李娅妮

授予年度：2021年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：逐次逼近流水线混合型 模数转换器 无源积分 噪声整形 级间增益误差整形 

摘      要：近年来,第五代通信技术日趋成熟,可穿戴设备和便携式设备的应用越来越普及,物联网的蓬勃发展正在将世界带入一个传感器无处不在的环境。模数转换器(ADC)作为连接模拟世界与数字系统的桥梁,普遍应用于各类电子设备中。为了实现整个系统的低功耗设计,对模数转换器性能和功效的要求也越来越严格。逐次逼近流水线混合型(Pipelined SAR)ADC结合了流水线型(Pipelined)ADC和逐次逼近型(SAR)ADC的优势,在速度、功耗和面积上做了非常好的折中,已成为高速、高精度ADC最常见的实现方式。然而,SAR ADC中的比较器噪声会限制其分辨率,从而降低ADC的能效。为了实现更高的分辨率,同时保持出色的能效,可以在Pipelined SAR ADC中引入Δ-ΣADC所采用的过采样和噪声整形(Noise shaping,NS)技术。本文主要研究了两级Pipelined SAR ADC的基本原理和设计方法,并在第一级子ADC中加入噪声整形技术以提升性能,最终实现了一款1-0 MASH型Pipelined SAR ADC。主要研究内容如下:首先,为了实现有效的噪声传递函数(NTF),本文采用无源方式,利用差分采样、电容积分和电荷共享原理,在第一级子ADC实现了高能效的一阶噪声整形,避免了运算放大器等有源器件,节省了功耗,简化了电路结构;同时采用Coarse SAR和Fine SAR并行工作的方式,提高了第一级SAR ADC的转换速度。Coarse SAR的决策结果直接传给Fine SAR,第一级产生的量化误差在第二级SAR ADC被处理。基于两级Pipelined SAR ADC结构,对量化误差进行了分析,利用比较器的相对放大,消除了传统Pipelined ADC中的余差放大器,提高了ADC的整体速度。其次,在上述研究的基础上,本文搭建了1-0 MASH型Pipelined SAR ADC的数学模型。第一级SAR ADC采用四位结构,第二级SAR ADC采用六位结构,其中冗余一位。利用MATLAB工具完成了Simulink的仿真验证,并进行了数字校准。结果表明,第一级噪声整形环路可以有效提高系统的信噪比。通过建模验证,第一级Coarse SAR的噪声传输函数并不敏感,允许有一定的偏差,这在一定程度上放宽了无源积分环路的设计要求。本设计的1-0 MASH结构不仅可以巧妙地抵消第一级的量化噪声,对第二级的量化噪声进行整形,同时可以利用第一级噪声传输函数NTF整形级间增益误差(gain error shaping),改善性能,解决了由比较器相对放大引起的增益误差难以在数字域进行校准这一问题,从而大大提高整形效率。最后,基于TSMC 28nm标准CMOS工艺,通过Cadence工具完成了1-0 MASH型Pipelined SAR ADC的整体电路设计,具体模块包括采样保持电路、四输入动态比较器、无源积分噪声整形环路、SAR ADC逐次逼近逻辑、异步时钟产生电路等,并进行了仿真验证,绘制了物理版图。电路参数如下:电源电压0.9V,带宽100MHz,采样频率1.6GHz,过采样率为8。仿真测得:SNR达到70.4d B,SNDR达到70.11d B,SFDR达到83.32d B。本设计适用于先进移动通讯(如第五代新无线电)设备,能够满足接收机模数转换器的指标要求。