【摘 要】
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近距无线通信、电子对抗等领域的飞速发展,对模数转换器（ADC,Analog-to-Digital Converter）的功耗和速度提出更高要求。传统ADC多为电压域ADC,面积和功耗较大,为了降低功耗,从电压域转到相位域是一个有效的选择。本文在充分调研相位量化ADC原理基础上,研究实现基于电荷重分配结构的两步式Ph-ADC（phase domain ADC）。同时,由于相位域ADC本身的IQ偏移（
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近距无线通信、电子对抗等领域的飞速发展,对模数转换器（ADC,Analog-to-Digital Converter）的功耗和速度提出更高要求。传统ADC多为电压域ADC,面积和功耗较大,为了降低功耗,从电压域转到相位域是一个有效的选择。本文在充分调研相位量化ADC原理基础上,研究实现基于电荷重分配结构的两步式Ph-ADC（phase domain ADC）。同时,由于相位域ADC本身的IQ偏移（offset）误差和IQ增益（gain）误差会影响其动态范围,因此进一步研究了相应的校准算法。论文首先分析了相位量化ADC的原理,建立了相位域ADC的误差分析模型,并在分析相位域ADC误差来源的基础上,仿真分析各种误差的影响。接着,设计了基于电荷重分配结构的无线性组合器两步式Ph-ADC,通过IQ辅助粗量化、二分搜索细量化的方式实现相位量化,关键模块电路包括采样保持电路、Strong ARM latch比较器电路、开关电容DAC电路、数字逻辑电路等。采用SMIC 55nm工艺,电源电压1.2V,在Candence Spectre设计实现了相位量化ADC,仿真结果表明,输入频率fin为10k Hz,SNDR为26.38d B,SNR为26.38d B,THD为-47.78d B,SFDR为30.84d B,ENOB为4.09bit。然后,设计实现一种基于帧的IQ误差校准算法。首先在数字域检测两个帧所在矢量数量,然后计算矢量分布不平衡量和电压偏移量,其次在模拟域采用梯形积分器来进行误差补偿,从而进行偏移和增益误差的校准。通过建立π/4DQPSK解调,6bit Ph-ADC,Eb/N0为12d B的数字调制系统来验证所提出相位域ADC误差检测及补偿技术。仿真结果表明,当输入信号频率为498k Hz,IQ偏移误差为0.01V,IQ增益误差为0.5时,系统的信噪失真比（SNDR）由7.02 d B提高到37.22d B,系统的无杂散动态范围（SFDR）由17.37d B提高到38.74d B,ENOB由1.03bit提升为5.89bit。校准后,该方法可以使系统BER降低到10-5数量级,使误差矢量幅度（EVM）小于15d B。最后,基于Virtuoso平台,设计实现了一种数模混合IQ误差补偿系统。首先在数字域采用Verilog AMS语言,编码两象限检测器以提取误差;然后在模拟域采用温度计制电流舵DAC、加减（Up and Down）计数器代替积分器以补偿误差,完成了校准算法数模混合级联仿真。仿真结果表明,当Ph-ADC输入频率为498k Hz,IQ误差为70m V时,经校准后,SNDR由13.44d B提高到36.65d B,系统的无杂散动态范围（SFDR）由19.77d B提高到38.17d B,ENOB由2.08bit提升为5.69bit。
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