低功耗8-bit 200MSPS時間交織流水線ADC

　　摘要：本文介紹了一款低功耗8位200MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC是由時間交織和逐級遞減技術(shù)來實現(xiàn)低功耗的。流水級和放大器的設(shè)計保證了低電流下滿足工藝、電壓、溫度(PVT)變化。本ADC采用0.35μm 雙層多晶硅柵三層金屬的CMOS工藝，在200MHz采樣頻率和41MHz輸入信號頻率下達(dá)到47.7dB的SNDR。在3V的電源電壓下功耗僅為120mW，不包括輸出緩沖器。

　　引言

　　移動無線通信系統(tǒng)是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用。高性能的交流特性，主要包括信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)，能夠提供更好的無線通信覆蓋率，更多的載波，更好的質(zhì)量和可靠性。功耗和面積對于移動無線通信系統(tǒng)也非常重要。

　　在多種ADC中，流水線ADC是最適合做高速高精度的。目前的設(shè)計趨勢是在低功耗下實現(xiàn)高性能。運放共享及開關(guān)運放技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于降低功耗上^[1-3]。但是此技術(shù)只適合低速ADC。本文中采取的一些技術(shù)可以在不犧牲性能的情況下來節(jié)省功耗。該ADC在200MSPS，輸入信號頻率為41MHz時達(dá)到47.7dB的信噪比，電流僅為40mA。

　　論文的組織如下：第二章介紹流水線ADC的結(jié)構(gòu)。第三章介紹了流水級、放大器和基準(zhǔn)產(chǎn)生電路等的具體結(jié)構(gòu)。第四章給出最終的測試結(jié)果。

　　流水線ADC的結(jié)構(gòu)

　　流水線ADC有兩個通道，每個通道都工作在100MHz下，包括5個1.5 bit流水級和一個3bit flash ADC。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器。第一級流水級一般為多位數(shù)，例如3.5bit或4.5bit。但在文中采用的是1.5bit的。其中有兩個原因：第一，文中ADC是時間交織的。它有兩個通道，任何不匹配都會降低性能。第一級的多位數(shù)會引起比1.5bit更多的失配，因為多位數(shù)相對于1.5位會有更多的電容和開關(guān)。第二，在8位100MHz ADC中放大器功耗不大，所以第一級選取多位數(shù)并不比采用1.5bit和逐級遞減技術(shù)的更省功耗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　流水線ADC中還有基準(zhǔn)源和時鐘等?；鶞?zhǔn)源必須滿足PVT變化，所以要仔細(xì)設(shè)計符合要求;時鐘發(fā)生器為所有流水級提供時鐘，時鐘偏移會嚴(yán)重影響性能。時鐘的驅(qū)動必須設(shè)計適當(dāng)，如果驅(qū)動太大會消耗過多的功耗，而版圖中會有很多寄生電容，所以為保證性能要留一些裕度。

　　電路實現(xiàn)

　　流水級

　　流水級有三種結(jié)構(gòu)：開環(huán)，閉環(huán)電荷轉(zhuǎn)移，閉環(huán)電容翻轉(zhuǎn)^[4]。開環(huán)結(jié)構(gòu)可以降低對放大器的要求，但是由于嚴(yán)重的非線性必須要有后臺或者前臺的數(shù)字校正電路。在8位100MSPS流水線ADC中，放大器的設(shè)計并不是瓶頸，所以并不選擇開環(huán)結(jié)構(gòu)。兩種閉環(huán)結(jié)構(gòu)在理想情況下有相同的功能，但他們在有電容失配的情況下則表現(xiàn)不同。電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)如下^[5](C_s/C_f=1不考慮其它的非理性因素)：

　　Vin是輸入信號， 是電容失調(diào)，D是數(shù)字輸出，Vref 是基準(zhǔn)電壓，電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)如下：

　　圖2為兩種結(jié)構(gòu)在電容失配10%時的傳輸特性曲線 (Δ=-0.1)：

　　如圖2所示，對于電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)來說，第一個和最后一個交叉點總是位于-1/2 和 1/2處，但輸出幅度會被Δ影響。對于電容翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，第一個和最后一個交叉點會被Δ影響，但是輸出幅度不會被Δ影響。在電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的-1/4 和1/4處的跳變高度相對電容翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)來說更接近Vref，分別為0.95Vref和0.9Vref。流水線ADC一般采用冗余位用來校正。如果失調(diào)只發(fā)生在第一級(假設(shè)其他級都是理想的且都是2bit)，那么校正過程如圖3所示。