曹恆偉Tsao, Hen-Wai臺灣大學:電子工程學研究所董鈞瑋Tung, Cheng-WeiCheng-WeiTung2010-07-142018-07-102010-07-142018-07-102009U0001-2207200916332200http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/189185類比數位轉換器是連接真實世界與離散運算領域的關鍵元件, 在許多種類的轉換器架構中, 快閃式類比數位轉換器是目前速度最快的一種, 然而在高解析度的需求下,晶片面積與功率消耗必須增加。因此, 在這些考量之下, 導管式類比數位轉換器被證實更適合發展在快速及高解析度的應用。但是, 導管式類比數位轉換器的準確性與換速度仍受限於內部電路、元件之非理想因素,例如運算放大器的非線性程度與有限頻寬等等。在本論文中提出以限制振幅輸入級取代傳統取樣保持電路,利用其轉換特性,搭配上原本之數位錯誤修正電路,使每級電路中之運算放大器操作於低振幅區間,等效增加取樣頻率,並且避免了運算放大器在高振幅非線性操作所產生的準確性差。此導管式類比數位轉換器使用台灣積體電路標準0.35微米互補式金氧半製程實現, 電路的面積為6.2平方毫米。在取樣頻率80 MHz 時, 量測之SNDR 及SFDR的效能分別是33.25 dB及53.60 dB。功率消耗在3.3伏特供應電壓下為250mW。Analog to digital converters (A/D Converters) provide the link between the analog world and digital system . In different architectures, flash A/D converter employsarallelism sampling to achive a high conversion speed, but it suffers from large power and area . In the requirement of high resolution, the pipelined architectures more suitable . However, the accuracy of a pipelined A/D converter is susceptible to the imperfections of circuits and devices, such as non-linearity and bandwidth limitation . In this dissertation, replacing traditional sample and hold stages with limiting swing input stages in the pipelined A/D converter is proposed . According to the characteristic transfer curve of the limiting swingnput stages, the outputs of every pipelined stages are limited in a lower swing region to increase sampling rate and decrease the non-linear effects of the amplifiershich may operate in high swing region . The A/D converter which was fabricated in the TSMC0.35-μm2P4M CMOS technology . Operating at a 80MS/s sampling rate, the A/D converter achieves SNDR and SFDR of 33.25 dB and 53.60B . The chip occupies an area of 6.2 mm2 , and the powre consumption is 250mW with a single 3.3 V supply .1 簡介1.1 類比數位轉換器之基本觀念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 類比數位轉換器之參數定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 類比數位轉換器之靜態效能評估標準. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 類比數位轉換器之動態效能評估標準. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 類比數位轉換器之架構分類與原理11.1 快閃式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 二階式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 內插式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 導管式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5 摺疊式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6 連續趨近式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7 交插式類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.8 本章結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 導管式類比數位轉換器21.1 導管式類比數位轉換器之基本描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 數位錯誤修正理論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.1 理想之導管類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.2 非理想之導管類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.3 多餘位碼修正法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2.4 改良之多餘位碼修正法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.2.5 1.5位元式導管類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29.2.6 多級之1.5位元式導管類比數位轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.7 數位碼之同步輸出. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 本章結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 限制振幅導管式類比數位轉換器34.1 設計動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.1.1 非線性放大器時域模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.1.2 非線性轉換特性曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37.2 限制振幅輸入級. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38.3 非理想之限制振幅輸入級. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.5 電路實現. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.5.1 限制振幅輸入級. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50.5.2 1.5位元電路級. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5.3 偏壓電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.5.4 時脈產生器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66.5.5 數位錯誤修正電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66.5.6 整體電路模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68.6 本章結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 量測考量與結果72.1 量測環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 量測結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.3 本章結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 結論80.1 未來工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805503103 bytesapplication/pdfen-US類比數位轉換器快閃式類比數位轉換器導管式類比數位轉換器限制振幅輸入級Analog to digital convertersflash A/D converterpipelined A/D converterlimiting swing input stagethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/189185/1/ntu-98-R95943114-1.pdf