應用于數(shù)字視頻接收器的低功耗高速流水線模數(shù)轉換器的研究.pdf

1、隨著數(shù)字機頂盒、數(shù)字高清電視和液晶平板電視的迅猛發(fā)展，日常消費電子產品中的數(shù)字視頻解調接收器和視頻圖像處理信號接收前端的重要模塊一模數(shù)轉換器的應用越來越廣泛，而且隨著整機產品的功能和性能要求越來越高，功耗低面積小的數(shù)字視頻片上系統(tǒng)(soc)單芯片已經(jīng)成為10位分辨率、多通道模數(shù)轉換器的主要應用芯片，例如3通道采集RGB和YUV信號的視頻模擬前端。但是由于片上系統(tǒng)單芯片集成了大量的模擬電路和數(shù)字邏輯電路，內部時鐘頻率也非常高，因此導致電路

2、噪聲偏大，影響模數(shù)轉換器的性能。如何使模數(shù)轉換器既擁有較強的抗干擾能力，同時達到低功耗的要求，越來越成為模擬集成電路研究的熱點和難點。 論文主要研究了兼容0．18um1．8V標準數(shù)字邏輯cMOS工藝應用于數(shù)字視頻領域的流水線模數(shù)轉換器，通過matlab的分析和優(yōu)化，建立了系統(tǒng)級的設計框架，然后根據(jù)系統(tǒng)需求的采樣率、輸出分辨率等要求計算出影響模數(shù)轉換器性能參數(shù)的限制指標。再根據(jù)工藝參數(shù)和EDA工具設計出了晶體管級電路并進行了全電路

3、性能仿真。最后設計了整個模數(shù)轉換器和測試芯片的布局及版圖，完成了整個芯片設計的全部流程。期間主要的研究成果和工作有以下幾個方面： (1)一般流水線模數(shù)轉換器常用的動態(tài)比較器需要從外部輸入?yún)⒖荚磁c輸入信號進行比較然后輸出數(shù)字域的結果，而本文提出的無輸入?yún)⒖荚磩討B(tài)比較器不需要在比較器之外引入?yún)⒖荚炊抢帽容^器輸入對管的差別產生比較閾值，這樣減輕了參考源驅動電路的負載，排除了外部電路對動態(tài)比較器組成的子模數(shù)轉換器模塊的干擾，另外減少

4、了外部引入?yún)⒖荚醋呔€的數(shù)量進而減小了硅面積。 (2)論文設計的低功耗高速模數(shù)轉換器使用了1．8V電源，為了減少開關電容電路采樣的信號失真，提出了一種新型的開關柵增壓電路，使得信號開關器件的柵電壓與輸入信號無關，保持開關的導通電阻是常數(shù)，而且在增壓傳輸路徑中的開關導通電阻也與信號無關，從而降低了信號的諧波失真，提高了電路的動態(tài)范圍。此外，所有的NMOS開關電路的襯底始終接在電路的最低電平上，這樣就使該電路可以在普通的0．18um1

5、．8V數(shù)字標準邏輯cMOs工藝上實現(xiàn)，從而降低了芯片制造成本。 (3)雖然流水線模數(shù)轉換器的冗余位數(shù)字校正(RSD)能夠消除一定的誤差，但是在低電壓應用中，由于信號輸入幅度相對較高，因此冗余校正后的誤差仍較大，為了保證整個模數(shù)轉換器依然有良好的線性度和良好的信噪比，論文提出了內插冗余校正技術。該技術的原理是：由于根據(jù)系統(tǒng)定義的噪聲限制指標和制造工廠提供的工藝匹配參數(shù)可以計算出第f級之后插入一級冗余校正級。因此內插冗余校正級可以把

6、第f級的輸出大于正常輸入范圍數(shù)倍之內的信號做為輸入(主要是第l級到第f級累積的誤差并被MDAC電路放大引起的)然后輸出時校正到后級能接受的正常輸入范圍，這樣就可以避免最終模數(shù)轉換器輸出鉗位和飽和引起整個ADC的線性度和動態(tài)范圍的下降。 (4)為了兼容標準數(shù)字邏輯工藝，MDAC中沒有使用線性度較高的MiM電容，而是選擇了三明治式金屬層間電容(stackcapacitor)，這需要通過仔細提取金屬層間電容的寄生參數(shù)以確保電容的線性度

7、能保證整個ADc的性能。 (5)為了優(yōu)化電路的功耗和面積，論文設計的流水線模數(shù)轉換器采用了運算放大器復用技術，這樣可以讓相鄰的兩個MDAc共用一個運算放大器，有效地降低了功耗和面積。 論文進行了兩次硅實驗，實驗一是使用0．5um2層多晶硅3層金屬CMOs混合信號工藝實現(xiàn)了1MHz采樣的10位流水線模數(shù)轉換器電路，驗證滿足靜態(tài)參數(shù)特性和動態(tài)參數(shù)性能的設計方法；實驗二是使用0．18um1．8V單層多晶硅6層金屬標準邏輯工藝實

8、現(xiàn)了100MHz采樣的10位流水線模數(shù)轉換器。在模數(shù)轉換器的測試方面主要設計了高速電路應用的PcB板和整個測試平臺環(huán)境搭建。實驗一和實驗二的DNL分別為0．71LsB和O．47LsB；INL分別為0．8LSB和0．55LsB；實現(xiàn)的有效位(ENOB)分別為9．7位(1MHz采樣)和93位(100MHz采樣)；芯片面積分別為1．7mm2和0．98mm2；功耗分別為45mW和63mw，其中實驗二的功耗優(yōu)質因子(FOM)和面積優(yōu)質因子(FOM