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低功耗8-bit 200MSPS时间交织流水线ADC

作者:张倬 王宗民 周亮 冯文晓时间:2013-11-27来源:电子产品世界收藏

  摘要:本文介绍了一款低功耗8位200MSPS的模数转换器。是由时间交织和逐级递减技术来实现低功耗的。流水级和的设计保证了低电流下满足工艺、电压、温度(PVT)变化。本采用0.35μm 双层多晶硅栅三层金属的CMOS工艺,在200MHz采样频率和41MHz输入信号频率下达到47.7dB的SNDR。在3V的电源电压下功耗仅为120mW,不包括输出缓冲器。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/197924.htm

  引言

  移动系统是模拟数字转换器的主要应用。高性能的交流特性,主要包括信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR),能够提供更好的覆盖率,更多的载波,更好的质量和可靠性。功耗和面积对于移动系统也非常重要。

  在多种中,ADC是最适合做高速高精度的。目前的设计趋势是在低功耗下实现高性能。运放共享及开关运放技术被广泛地应用于降低功耗上[1-3]。但是此技术只适合低速ADC。本文中采取的一些技术可以在不牺牲性能的情况下来节省功耗。该ADC在200MSPS,输入信号频率为41MHz时达到47.7dB的信噪比,电流仅为40mA。

  论文的组织如下:第二章介绍ADC的结构。第三章介绍了流水级、和基准产生电路等的具体结构。第四章给出最终的测试结果。

  ADC的结构

  流水线ADC有两个通道,每个通道都工作在100MHz下,包括5个1.5 bit流水级和一个3bit flash ADC。传统的转换器。第一级流水级一般为多位数,例如3.5bit或4.5bit。但在文中采用的是1.5bit的。其中有两个原因:第一,文中ADC是时间交织的。它有两个通道,任何不匹配都会降低性能。第一级的多位数会引起比1.5bit更多的失配,因为多位数相对于1.5位会有更多的电容和开关。第二,在8位100MHz ADC中功耗不大,所以第一级选取多位数并不比采用1.5bit和逐级递减技术的更省功耗。系统结构如图1所示。

  流水线ADC中还有基准源和等。基准源必须满足PVT变化,所以要仔细设计符合要求;发生器为所有流水级提供,时钟偏移会严重影响性能。时钟的驱动必须设计适当,如果驱动太大会消耗过多的功耗,而版图中会有很多寄生电容,所以为保证性能要留一些裕度。

  电路实现

  流水级

  流水级有三种结构:开环,闭环电荷转移,闭环电容翻转[4]。开环结构可以降低对的要求,但是由于严重的非线性必须要有后台或者前台的数字校正电路。在8位100MSPS流水线ADC中,的设计并不是瓶颈,所以并不选择开环结构。两种闭环结构在理想情况下有相同的功能,但他们在有电容失配的情况下则表现不同。电荷转移结构的传输函数如下[5](Cs/Cf=1不考虑其它的非理性因素):

  Vin是输入信号, 是电容失调,D是数字输出,Vref 是基准电压,电容翻转结构的传输函数如下:

  图2为两种结构在电容失配10%时的传输特性曲线 (Δ=-0.1):

  如图2所示,对于电荷转移结构来说,第一个和最后一个交叉点总是位于-1/2 和 1/2处,但输出幅度会被Δ影响。对于电容翻转式结构,第一个和最后一个交叉点会被Δ影响,但是输出幅度不会被Δ影响。在电荷转移结构的-1/4 和1/4处的跳变高度相对电容翻转式结构来说更接近Vref,分别为0.95Vref和0.9Vref。流水线ADC一般采用冗余位用来校正。如果失调只发生在第一级(假设其他级都是理想的且都是2bit),那么校正过程如图3所示。

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