林海軍

(廈門(mén)理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

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雙通道高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)

林海軍

(廈門(mén)理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

為解決傳統(tǒng)雙通道構(gòu)架僅適用于低速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(Analog-to-DigitalConverter,簡(jiǎn)稱(chēng)ADC)的問(wèn)題，通過(guò)取消數(shù)字校準(zhǔn)電路，去除信號(hào)通道中用于數(shù)字校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)的方式，采用臺(tái)灣積體電路制造公司(TSMC)0.18μmCMOS工藝，用雙通道流水線構(gòu)架實(shí)現(xiàn)了高速高精度ADC，確保ADC達(dá)到12位信號(hào)轉(zhuǎn)換精度的同時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換速度達(dá)到了200Ms/s.通過(guò)測(cè)試，該電路在模擬輸入信號(hào)為10MHz，差分振幅為1.25V，電源電壓為1.8V，信號(hào)采樣頻率200Ms/s條件下獲得信噪失真比為64.7dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為86.3dB，電路整體功耗為356mW，測(cè)試結(jié)果證實(shí)該設(shè)計(jì)在降低模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)難度的同時(shí)節(jié)省了功耗.

模數(shù)轉(zhuǎn)換；雙通道；跨導(dǎo)運(yùn)算放大器；采樣保持電路

采樣率大于100Ms/s,采樣精度高于10位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(analog-to-digitalconverter,簡(jiǎn)稱(chēng)ADC)被廣泛應(yīng)用在光通信、無(wú)線及有線通信系統(tǒng)和工業(yè)控制中[1].流水線構(gòu)架的ADC由于其良好的采樣速度、采樣精度及功耗特性，在高速、高精度ADC中被廣泛采用.然而，在流水線型高速高精度ADC設(shè)計(jì)中，各級(jí)子ADC內(nèi)部的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(operationaltransconductanceamplifier,簡(jiǎn)稱(chēng)OTA)的大負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力制約了ADC的工作速度，成為ADC整體電路設(shè)計(jì)的瓶頸.兩通道ADC結(jié)構(gòu)通過(guò)將電容負(fù)載平均分配到兩個(gè)相同的ADC中，降低了每個(gè)ADC的驅(qū)動(dòng)負(fù)載[2].雙通道ADC是由兩組獨(dú)立ADC電路共享一個(gè)采樣保持電路(sampleandholdamplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)SHA)， 每個(gè)獨(dú)立ADC的電容負(fù)載可以降為原先的一半，可有效降低OTA電路的驅(qū)動(dòng)要求，進(jìn)而降低其設(shè)計(jì)難度，同時(shí)由于每個(gè)獨(dú)立ADC的功耗均為原ADC的一半，總體功耗不變.

雙通道ADC中每個(gè)通道的數(shù)字輸出相加平均后可獲得最終模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果，同時(shí)每個(gè)通道的數(shù)字輸出相減可獲得兩個(gè)通道輸出的差值,該差值由電路失配等原因造成[3].傳統(tǒng)的雙通道ADC構(gòu)架多采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)[1-6],向各通道ADC中加入隨機(jī)序列.然而加入隨機(jī)序列會(huì)在信號(hào)路徑中增加開(kāi)關(guān)[4],其開(kāi)關(guān)電阻會(huì)增加電路時(shí)間常數(shù)，降低信號(hào)轉(zhuǎn)換速度，不利于高速ADC的設(shè)計(jì)[4-5].目前采用雙通道構(gòu)架的ADC電路其采樣頻率不超過(guò)100Ms/s.

為實(shí)現(xiàn)雙通道ADC的高速信號(hào)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)提案不進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)的雙通道ADC電路，在信號(hào)路徑中不增加開(kāi)關(guān)，提高信號(hào)轉(zhuǎn)換速度，使雙通道ADC構(gòu)架在滿足信號(hào)轉(zhuǎn)換精度的基礎(chǔ)上可滿足高速ADC的速度需求.同時(shí)各子級(jí)ADC的采樣電容被平均分配給兩組ADC，降低了子ADC內(nèi)部OTA電路的設(shè)計(jì)難度.

1 雙通道ADC的構(gòu)架設(shè)計(jì)

一般12位流水線電路構(gòu)架由5組2.5位子ADC及一個(gè)2位閃爍型ADC構(gòu)成.VINP和VINN端連接模擬輸入差分信號(hào)，每級(jí)子ADC輸出2.5位數(shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)字冗余處理，獲得12位數(shù)字輸出，如圖1所示[7].為實(shí)現(xiàn)200Ms/s的信號(hào)采樣速度，通過(guò)計(jì)算和仿真獲得各級(jí)子ADC的內(nèi)部OTA的性能要求如表1.

圖1 一般12位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)架圖

參數(shù)OTA1OTA2OTA3OTA4OTA5直流增益/dB7868564432增益帶寬積/GHz3.73.22.62.11.6負(fù)載/pF2.000.750.380.180.05

由表1可知各級(jí)子ADC中OTA的設(shè)計(jì)要求極為苛刻，尤其是第一級(jí)與第二級(jí)，要求在大負(fù)載下獲得極高的直流增益與工作帶寬.為滿足設(shè)計(jì)要求，需要增加功耗及OTA輸入MOS器件的尺寸，這會(huì)引入較大的寄生電容，從而限制OTA工作頻率.因此，采用雙通道結(jié)構(gòu)降低負(fù)載對(duì)OTA設(shè)計(jì)極為重要.

本設(shè)計(jì)的雙通道流水線ADC構(gòu)架如圖2所示，模擬信號(hào)通過(guò)SHA進(jìn)行采樣保持后進(jìn)入ADC1與ADC2組完全相同的流水線ADC中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，其結(jié)果通過(guò)平均計(jì)算與冗余計(jì)算，獲得12位模擬輸出.

圖2 雙通道流水線型ADC構(gòu)架圖

ADC1與ADC2的電容負(fù)載比一般12位ADC減小一半，ADC內(nèi)部各級(jí)子ADC的OTA電路帶寬與gm/C成正比，其中g(shù)m為OTA的跨導(dǎo),C為電容負(fù)載.同時(shí)OTA電路功耗與gm成正比.ADC各級(jí)負(fù)載電容減小一半意味著相同帶寬條件下OTA功耗為原來(lái)的一半，其信號(hào)噪聲比會(huì)比單獨(dú)ADC降低3dB，通過(guò)兩組ADC數(shù)據(jù)的平均化處理，其信號(hào)噪聲比獲得補(bǔ)償.

同時(shí)兩組ADC的功耗相加與單獨(dú)ADC的功耗相同，然而由于降低了OTA的設(shè)計(jì)難度，整體功耗會(huì)下降.與時(shí)間交織型ADC相比，本電路采用單獨(dú)SHA進(jìn)行采樣，有效降低了通道間應(yīng)因不同采樣時(shí)序的無(wú)序抖動(dòng)造成的信號(hào)失配.同時(shí)，根據(jù)電路設(shè)計(jì)需要，本電路還可適用于多通道流水線型ADC的設(shè)計(jì).

2 ADC中采樣保持電路的設(shè)計(jì)

采樣保持電路是高速高精度ADC中最重要的電路.ADC的動(dòng)態(tài)范圍、信號(hào)失真、線性性能、噪聲等重要技術(shù)參數(shù)都取決于SHA的性能.在本設(shè)計(jì)中采用了Flip-around型SHA電路結(jié)構(gòu)，其電路構(gòu)架由圖3(a)所示.

為降低開(kāi)關(guān)電荷的無(wú)序注入和時(shí)鐘饋通效應(yīng)對(duì)采樣精度的影響，SHA采用了底極板采樣技術(shù),單端采樣電容Cs的值為4pF.SHA的電容負(fù)載為兩組ADC第一級(jí)子ADC的采樣電容.為了降低采樣開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻，提高開(kāi)關(guān)的線性性能，開(kāi)關(guān)S1，S2，S1a采用了自舉開(kāi)關(guān)的構(gòu)架.圖3(b)顯示了SHA內(nèi)部的OTA電路構(gòu)架，為了實(shí)現(xiàn)高直流增益和較大的工作帶寬，OTA采用了帶輔助放大器的增益自舉折疊共源共柵放大電路結(jié)構(gòu).同時(shí)為了解決連續(xù)型共模反饋電路輸出擺幅較小的限制，OTA電路的共模反饋采用了開(kāi)關(guān)電容型共模反饋電路.

3 芯片測(cè)試結(jié)果

雙通道流水線型ADC采用臺(tái)積電0.18μmCMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，其電源電壓為1.8V.芯片面積為3mm×4mm，其中包含了提供基準(zhǔn)時(shí)鐘的DLL電路、時(shí)鐘分配電路、帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、比較器基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、SHA電路，雙通道ADC電路、數(shù)字平均化計(jì)算部分和輸出接口(low-voltagedifferentialsignaling簡(jiǎn)稱(chēng)LVDS)電路，芯片照片如圖4所示.芯片測(cè)試時(shí)輸入信號(hào)使用羅德R&SSMA100A信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生、基準(zhǔn)時(shí)鐘采用Si530芯片產(chǎn)生.

雙通道ADC在輸入信號(hào)為70MHz，采樣頻率為200MHz時(shí)的靜態(tài)特性，包括積分非線性(integralnonlinearity簡(jiǎn)稱(chēng)INL)和差分非線性(differentialnonlinearity簡(jiǎn)稱(chēng)DNL),其中INL為-0.67/+0.62最低有效單元(leastsignificantbit簡(jiǎn)稱(chēng)LSB)，DNL為-0.79/+0.85LSB(如圖5所示).

圖6顯示了在200MHz的時(shí)鐘采樣條件下輸入信號(hào)頻率為10MHz、70MHz，振幅為-1dBFS時(shí)的ADC輸出信號(hào)功率頻譜特性.在輸入信號(hào)為10MHz時(shí)，ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(spurious-freedynamicrange，簡(jiǎn)稱(chēng)SFDR)為86.3dB，信號(hào)噪聲與失真比(signaltonoiseanddistortionrate,簡(jiǎn)稱(chēng)SNDR)為64.7dB，有效位(effectivenumberofbits，簡(jiǎn)稱(chēng)ENOB)為10.5位.其功耗為356mW.

表2將該電路的測(cè)試結(jié)果與國(guó)際近期發(fā)表的論文測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較.通過(guò)表2可知，本項(xiàng)研究中不采用數(shù)字校準(zhǔn)的雙通道流水線ADC的主要?jiǎng)討B(tài)性能指標(biāo)均超過(guò)了目前國(guó)際近期發(fā)表的研究成果，尤其是采用0.18μmCMOS工藝條件下實(shí)現(xiàn)了較低的功耗.

表2 本研究的結(jié)果與國(guó)際最新研究成果的性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)研究提出了無(wú)數(shù)字校準(zhǔn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換精度為12位，信號(hào)轉(zhuǎn)換速度為200Ms/s的雙通道結(jié)構(gòu)流水線型ADC電路結(jié)構(gòu).該方法能夠有效的降低流水線ADC中各級(jí)子ADC中OTA電路的電容負(fù)載，降低其設(shè)計(jì)難度的同時(shí)節(jié)省了功耗.該方法的有效性通過(guò)采用臺(tái)積電0.18μmCMOS工藝進(jìn)行芯片試制和芯片測(cè)試得到了證明.在輸入信號(hào)頻率為10MHz的條件下其SFDR為86.3dB，SNDR為64.7dB，功耗為356mW.

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(責(zé)任編輯 宋 靜)

Design of a 12-Bit 200 Ms/s Split-Based Pipeline ADC

LIN Haijun

(SchoolofOptoelectronic&CommunicationEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

Thispaperpresentsasplit-basedpipelineADCfabricatedinTSMC0.18μmCMOStechnology.Toapplythesplit-basedarchitecturetohighspeedADC,theproposedADCeliminatesthedigitalcalibrationcircuitofADC,removesswitchesfordigitalcalibrationinsignalpathtoimprovetheconversionrateofADC.Itrealizes12-bitresolutionand200Ms/sconversionrate,andachievesanSNDRof64.7dB,SFDRof86.3dBwithanaloginputfrequencyof10MHzanddifferentialamplitudeof1.25Vwithoutdigitalcalibration.ThepowerdissipationofADCis356mWat1.8Vsupply.

ADC;split-based;OTA;pipeline

2016-08-20

2016-10-10

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01255)

林海軍(1976-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì).E-mail:linhaijun@xmut.deu.cn

TN

A

1673-4432(2016)05-0051-05