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研究生: 林淑華
Sue-Hwa Lin
論文名稱: 應用在數位影像的高速類比數位轉換器之設計
Design of high-speed analog to digital converters for digital video applications
指導教授: 柳克強教授
Prof. Keh-Chyang
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 104
中文關鍵詞: 管線化類比數位轉換器運算放大器訊號加強控制兩級放大取樣保值
外文關鍵詞: Pipeline, ADC, OPA, Gain Boost, Two stage, sample and hold
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  • 本論文主要是設計一個可用於專業影音訊號處理的高速管線化(Pipeline)類比數位轉換器。本類比數位轉換器的目標訂在輸入範圍1 Vp-p,解析度為十位元,最小單位電壓為1 mV,取樣速率為100 MHz。為了實現高速,低功率消耗的轉換效能,採用了管線化架構。在管線化的類比數位轉換器中,由於取樣保值電路為整個管線化類比數位轉換器第一級的電路,它的效能會決定整個管線化類比數位轉換器的表現,所以如何實現一個高速、高準度的取樣保值電路為最主要的設計瓶頸。為了實現這樣一個取樣保值電路,必須設計一個高速、高增益的差動運算放大器。
    為了實現一個高速、高增益的差動運算放大器,本設計中使用了訊號加強控制(Gain Boost)與兩級放大(Two stage)的技巧。一般增加增益的方法如串疊電路(Cascode),因為要增加輸出阻抗才能增加增益,所以會導致單一增益頻寬下降,但是訊號加強控制電路(Gain Boost)使用一個頻寬大於運算放大器本身頻寬的放大器來增加增益,這樣一來,運算放大器本身的單一增益頻寬便不會下降。一般高速、高增益的差動運算放大器如三級串疊電差動運算放大器(Triple cascode Opamp),在低操作電壓3.3 V的環境下,會有窄輸入共模電位(Input common mode range)、窄輸出擺幅(Output swing)的問題,而兩級放大電路可以藉由分開輸入端與輸出端的電路,使輸入和輸出都以3.3 V的操作電壓進行處理,這樣一來輸入和輸出就有足夠的頭頂空間(Head room),兩級放大差動運算放大器因而兼有寬輸入共模電位和寬輸出擺幅,將這個優點應用在管線化類比數位轉換器中,每一級的差動運算放大器皆可將全階(Full scale)輸入的差動訊號線性放大兩倍,這樣可以降低下一級處理訊號所需的精確度,這樣一來,越後級的解碼電路便可以使用較低功率消耗的電路來實現,整個電路的功率消耗可以由此降低。
    本論文的管線化類比數位轉換器是使用台積電0.25 μm 1P5M mixed-mode的製程來進行模擬設計,使用元件為製程穩定性較高的I/O元件,操作電壓為3.3 V。直流分析模擬是使用Spice來進行模擬,模擬後的數據再利用Matlab進行資料的處理,得到如下的結果:沒有missing code,INL最大值為0.35 LSB,最小值為-0.46 LSB,平均值為-0.08 LSB,而DNL最大值為0.2 LSB,最小值為-0.2 LSB,平均值只有-0.8.3e-17 LSB。至於交流分析同樣使用Spice進行模擬,模擬的數據同樣是利用Matlab來進行資料的處理,所得的交流結果如下:SNDR約為60.6 dB@5 MHz,50.2 dB@40 MHz。本設計的功率消耗為722 mW,使用晶片面積預估約為2000´1000 μm2。因為本設計尚未進行功率最小化的處理,若經過最小化處理後,預估消耗功率約可降低25%左右。


    The paper presents a pipeline analog to digital converter (ADC) used for video applications. The 10-bit ADC has an input signal range of ±0.5 V with the resolution near 1 mV. Sampling rate is 100 MHz. To reach the high speed, low power conversion, ADC implemented with pipeline architecture.
    How to implement a high speed, high gain Opamp is the bottleneck of ADC design. The Opamp used gain boost and two-stage techniques. Gain boost circuit strengthen the DC gain of Opamp without reducing bandwidth. Two-stage can get wide input common mode range and wide output swing. Pipeline ADC can use this advantage to amplify the full-scale signal stage-by-stage and lower down the precision need stage-by-stage. This will help to save power consumption of pipeline ADC. With the aid of spice and matlab, the simulation DC performance of ADC claims no missing code, DNL within ±0.2 LSB, INL within ±0.5 LSB. The simulation AC performance of ADC claims SNDR are 60.6 dB@5 MHz and 50.2 dB@40 MHz.
    The total power dissipation of ADC is about 722 mW. The power reduction can be done using error tolerance of pipeline structure. It is predicted to reduce about 25% of power dissipation.

    誌謝 I 摘要 II Abstract V 目錄 VI 圖目錄 IX 表目錄 XIII 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 4 2.1 類比數位轉換器在混頻系統的應用 4 2.2 類比數位轉換器在混頻系統的角色分析 5 2.3 奈奎斯特類比數位轉換器 9 2.3.1 Successive Approximation類比數位轉換器[6] 9 2.3.2 快閃式類比數位轉換器[6] 12 2.3.3 Subrange類比數位轉換器[6] 14 2.4 類比數位轉換器的最佳訊號雜訊比 16 2.4.1 理想的類比數位轉換器[6] 16 2.4.2 量化雜訊 17 2.4.3 類比數位轉換器的規格[2] 19 2.5 管線化類比數位轉換器 23 2.5.1 管線化1.5 bit類比數位轉換器 24 2.5.2 解碼電路1.5 bit電路運作與實現 26 2.5.3 數位錯誤更正 29 2.5.4 開關式電容差動取樣保值電路 31 2.5.5 互補式CMOS開關[9] 38 2.5.6 高速開關式電容比較器電路[6] 42 2.5.7 管線化類比數位轉換器的設計要項 45 第三章 管線化類比數位轉換器的設計與分析 47 3.1 十位元類比數位轉換器系統時脈設計 48 3.2取樣保值電路(S&H)的設計 51 3.3 餘數增益電路的設計(RG) 53 3.4 SubADC和SubDAC的設計(ADC1~9) 55 3.5 差動運算放大器的設計 59 3.5.1 增益設計[5] 59 3.5.2 頻寬設計[5] 61 3.5.3 直流特性Slew Rate的考量 62 3.5.4 高速,高增益3.3 V運算放大器的設計 64 3.5.5 共模回授電路[12] 72 3.6 電容的線性度和匹配[4] 74 3.7 熱雜訊 77 3.8 增益輸出的錯誤容忍度[4] 77 3.9 實現電容匹配的方法 83 第四章 模擬結果之分析與討論 85 4.1 運算放大器的模擬結果 85 4.2 比較器的模擬結果 87 4.3 取樣保值電路的模擬結果 89 4.4 餘數增益的模擬結果 90 4.5 時脈產生器的模擬結果 91 4.6 十位元管線化類比數位轉換器的模擬結果 92 第五章 結論與建議 101 參考文獻 103

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