高速高精度数模转换器的动静态失配校准及纳米CMOS鲁棒性设计方法研究

【摘要】高速高精度数模转换器作为无线通信技术领域和数字电视领域里的核心器件,直接影响着整个系统的信号性能。但随着数模转换器应用要求逐渐向高采样速率、高精度和高信号带宽的方向发展,静态失配误差和动态失配误差成为了制约数模转换器性能的瓶颈。并且在进入纳米CMOS工艺后,数模转换器的设计面临很多新的问题。在此背景下,本文主要研究了高速高精度数模转换器的动静态失配校准方法,以及数模转换器在纳米CMOS工艺下的鲁棒性设计方法。在静态失配误差校准方面,本论文提出了一种随机时钟全校准方法,可以消除电流源静态失配误差。该方法基于后台自校准的方式,采用运算放大器的反馈环路作为校准电路,在随机时钟控制下依次对失配电流源进行校准。低位电流源阵列采用电流分叉结构,可以避免引入冗余电流源阵列而实现高位和低位电流源的全校准。通过0.18μmCMOS流片测试,设计的14-bit200MS/s电流舵型数模转换器在输出2MHz信号时,SFDR在校准前后有24dB的提高,达到80dB以上,充分验证了校准方法的有效性。在动态失配误差校准方面,本论文对数模转换器的单元相关延时误差和输出相关延时误差进行了深入的建模分析和理论推导。针对输出相关延时误差,提出了输出跟随校准方法。并将校准方法应用于一款14bits电流舵型数模转换器。经仿真验证,在整个奈奎斯特频率带宽内,SFDR至少有10dB的提高。本论文同时提出了一种动态通道匹配方法,针对消除时间交织型数模转换器通道间动态失配误差。为仿真验证动态通道匹配方法,设计了一款14bits时间交织型数模转换器,在输出信号接近奈奎斯特频率时,校准前后SFDR能提升15dB。在纳米CMOS工艺设计方面,本论文提出了多通道数模转换器整体结构的鲁棒性设计方法,包括电流源、锁存器和开关,以及偏置电路等关键模块在通道内及通道间的设计方法。该鲁棒性设计方法能有效避免STI和WPE效应,以及克服工艺波动带来的通道内及通道间的失配误差。通过实验验证,给出了一款采用40nmCMOS工艺的500MS/s10-bit三通道数模转换器的测试结果。三个通道最大INL为0.58LSB,最大DNL为0.42LSB,SFDR最小值为56.98dB。单通道内部以及通道之间都实现了良好的匹配性。
【作者】程龙；
【导师】任俊彦；
【作者基本信息】复旦大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】数模转换器；校准；静态失配；动态失配；纳米CMOS；

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