【摘 要】
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现实世界的绝大多数信号为随时间连续变化的模拟信号,但另一方面随着数字集成电路的飞速发展,数字信号极大提高了人类处理数据的能力,而模数转换器（ADC）则主要是将现实世界的模拟信号转换为能被系统快速处理的数字信号,因此其重要性不言而喻。ADC一直是通信系统的关键模块,尤其在第五代移动通信（5G）中要求ADC具有更高精度、更快速度以及更低功耗。流水线ADC可以通过合理分配各子级精度以达到精度、速度与功耗
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现实世界的绝大多数信号为随时间连续变化的模拟信号,但另一方面随着数字集成电路的飞速发展,数字信号极大提高了人类处理数据的能力,而模数转换器（ADC）则主要是将现实世界的模拟信号转换为能被系统快速处理的数字信号,因此其重要性不言而喻。ADC一直是通信系统的关键模块,尤其在第五代移动通信（5G）中要求ADC具有更高精度、更快速度以及更低功耗。流水线ADC可以通过合理分配各子级精度以达到精度、速度与功耗同时兼顾,因此其在高精度、高速度的通信系统中一直为首选结构。本文将重点研究高精度、中高速、低功耗流水线ADC的系统架构以及其关键电路的设计。本文基于CMOS 0.18μm工艺,设计一种16位120MSPS的开关电容结构流水线ADC,重点研究流水线ADC中3.5位、1.5位流水线子级电路以及溢出校准技术。首先确定流水线ADC系统架构为“3.5+3.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+1.5+3”以兼顾速度与功耗;用MATLAB工具对ADC结构进行行为级建模以验证该架构的有效性。在电路设计方面,流水线子级主要由MDAC与Sub-ADC组成。在MDAC架构上,前两个3.5位子级中MDAC采用带有溢出检测功能的电荷重分配型架构,1.5位子级中MDAC则采用传统的电容翻转型架构;MDAC中余差放大器采用套筒式增益提高级的两级放大器,其增益分别是96d B和88d B;Sub-ADC中的电压比较器采用由预运放与锁存器构成的开关电容型比较器,其失调电压是1.93m V;同时为抑制“气泡”码所带来的量化误差,在3.5位子级中的译码器采用格雷码作为中间编码的译码方式。最后提出一种全新的溢出位检测方式,前两个3.5位子级输出数字码的最高位（MSB）为溢出判断位,通过简单逻辑电路即可实现对溢出情况的判断。在完成模块电路设计后,分别对各个子模块电路的功能以及性能进行仿真验证。仿真表明在输入频率为10.0098MHZ、差分摆幅为2.4V的正弦信号下,前三个流水线子级输出有效位数分别为13.7bit、12.25bit、11.92bit,均满足后续子级对前级精度要求。在输入信号频率为12.1918MHZ、采样频率为120MS/s下,ADC的SFDR为92.4d B,SNR为95.5d B,SNDR为90.7d B,ENOB为14.77bit,满足设计指标要求。
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