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模数转换器,作为模拟和数字信号之间转换的桥梁,是信号处理过程中不可缺少的设备。流水线型模数转换器,由于其可以将功耗、速度、分辨率等方面之间的折衷做到最好,因此广泛应用于图像处理、移动通信、数字高清视频、快速以太网等等领域中。工艺尺寸和电源电压的缩减,大大降低了数字电路的面积和功耗,但是同时也增加了模拟及模数混合电路设计的难度。传统结构的流水线型模数转换器的设计瓶颈在于高增益大带宽运放的设计。该运放功耗占系统功耗的比重较大,电源利用效率比较低,并且运放的输入输出信号范围严重影响了系统的信号范围和线性度。无运放结构的余量放大电路已成为模数转换器设计领域一大热点。采用过零检测器和电流源的结构,代替高增益大带宽运放的设计,由于是开环放大,并不需要稳定的闭环反馈,可以降低系统功耗,扩展信号的动态范围,同时大大减小工艺尺寸和电源电压缩减给电路设计带来的影响。本文采用GSMC 0.18um CMOS工艺,在1.8V电源电压下,基于过零检测的结构,设计了一个10位,10MHz的流水线型模数转换器。出于功耗和速度的折衷,系统采用了无采样保持(S/H-less)1.5bit/级的结构来实现。整个系统共11级流水线,其中前十级产生数字输出,最后一级作为前级的负载。全差分结构设计中,为了减小单级失调和降低电源噪声,采用带dummy结构的电流源,提高了系统的线性度和共模抑制特性。过零检测器采用预放大加缓冲的结构,对输出波形进行整形。最大采用1.5bit/级的流水线结构和相同的级间增益,降低了级间增益电路和数字校正电路设计的复杂性。除了模数转换器核心电路模块的设计外,还包括不交叠时钟电路、基准电压和电流产生电路等等。整个系统的版图在GSMC 1P6M工艺下完成。仿真结果表明,在10MHz的采样频率下,当输入信号频率为1MHz的正弦波时,模数转换器的无杂散动态范围为66.39dB,有效位数达到8.57bit,差分非线性为1.36LSB,积分非线性为2.24LSB,电路的核心功耗为22.5mW。整个系统版图的面积为1.887mm×0.743mm。