【摘 要】
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模数转换器（Analog to Digital Convertor,ADC）,是模拟信号转换为数字信号必不可少的器件。近年来,无线通信技术、数字信号处理技术发展迅猛,对ADC提出了更高的性能要求。同时,随着CMOS工艺发展,ADC的设计也面临着越来越大的挑战。在常用的ADC类型中,Pipeline ADC在精度、速度、功耗等性能指标有一个比较好的折中,成为了国内外研究高速高精度ADC主要选择的架构
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模数转换器（Analog to Digital Convertor,ADC）,是模拟信号转换为数字信号必不可少的器件。近年来,无线通信技术、数字信号处理技术发展迅猛,对ADC提出了更高的性能要求。同时,随着CMOS工艺发展,ADC的设计也面临着越来越大的挑战。在常用的ADC类型中,Pipeline ADC在精度、速度、功耗等性能指标有一个比较好的折中,成为了国内外研究高速高精度ADC主要选择的架构。本论文基于TSMC 180nm CMOS工艺设计了一款12bit 25MSPS Pipeline ADC。论文先介绍了ADC的基本原理,然后进行整体架构的分析,最终确定了10级1.5bit和2bit flash的架构。文中对系统的关键模块进行了详细的分析,对性能指标进行了详细的计算。论文提出了一种减小沟道电荷注入的自举开关,与传统自举开关不同的是,本文提出的自举开关同时利用NMOS晶体管与PMOS晶体管作为开关管,将NMOS的栅极电压提升到VIN+VDD,将PMOS栅极电压降低至VIN-VDD,利用晶体管互补的特性,一方面减小了沟道电荷注入效应的影响,一方面减小了导通电阻。仿真结果表明,利用提出的自举开关可以获得更好的无杂散动态范围,提高了线性度。论文利用Cadence Virtuoso软件对电路进行了设计、仿真,同时对芯片进行了测试。当使用的时钟信号为25 MHz,输入信号频率为1.17 MHz时,其SNDR（Signal to Noise and Distortion Ratio）为70.5 d B,ADC的ENOB为11.41 bit,当输入信号频率为12.21 MHz时（接近奈奎斯特采样频率）,其SNDR为65.7 d B,ADC的ENOB（Effective Number of Bits）为10.62 bit。在电路测试时,发现了电路版图有一些问题,电路经过改良后,在输入信号频率为1.46 MHz时,ADC的ENOB为10.85 bit,SNDR为67.1 d B。DNL（Differential Nonlinearity）的范围是-1LSB～1.51LSB,INL（Integral Non-linearity）为-2.06LSB～1.07LSB。系统转换时产生的平均电流为32.38 m A,整个系统转换数据时的平均功耗为58.28 m W。本论文还提出了新型的低功耗运算放大器,代替原有ADC中第6至第10级中的运算放大器,设计了第二款Pipeline ADC,在输入信号频率为1.46 MHz时,ADC的ENOB为11.02 bit,SNDR为68.1 d B。DNL的范围是-1LSB～0.68LSB,INL为-0.81LSB～0.78LSB,在线性度方面有了一定的提升。系统产生的平均功耗为32.69 m W,相比第一版功耗减少了25.59 m W。Pipeline ADC的性能满足在窄带物联网中对模数转换器在速度、精度和功耗上的要求。
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