摘要 流水线型模数转换器被广泛地应用于图像处理、通信基站、数字视频和快速 以太网等领域。而对于应用越来越广泛的手持移动终端而言，低功耗对于产品电 池的使用寿命起着至关重要的作用。同时随着人们对音质、画质等感官体验的要 求越来越高，以及更为细致的数据信息量要求，高精度也成了模数转换器系统设 计中一个极为重要的方面。通常实现低功耗的方法往往会产生各种误差从而导致 精度降低，同样实现高精度又往往需要以增加功耗为代价，因此如何同时实现高 精度和低功耗成为了研究的热点和难点。 论文主要研究了应用于数字视频领域的流水线型模数转换器的低功耗及高 精度实现方法。从采用级间运放共享技术来降低功耗为切入点，首先分析了传统 运放共享结构中影响电路精度的因素。其次为了消除这些因素的影响，提出了新 的电路结构和设计技术，从而达到了同时实现高精度和低功耗的目的。搭建了流 水线模数转换器Matlab模型，引入了各种非理想因素参与行为级仿真，建立了 系统级的设计框架。最后完成了整个流水线模数转换器的电路设计、版图布局和 芯片测试等全部流程。 主要研究成果和工作有以下几个方面： )从降低运放功耗入手，选择功耗最低的单级套筒式运放，同时采用级间 运放共享和逐级缩减等技术，实现低功耗设计。 2)详细分析了传统级间运放共享结构中存在的记忆效应、级间信号串扰以 及共享开关引入的电荷注入和时钟馈通等各种影响电路精度的因素。为 了消除这些因素的影响，提出了一种新的双输入开关内置运放共享结构 的MDAC电路。 3)提出采用两组输入差分对管的结构，共享运放的两流水级各使用一组， 每组差分对管在保持时段交替参与运放工作，而在采样时段则交替的连 接到共模输入电压进行复位，从而完全消除记忆效应，并且不需要额外 的复位时间。 4)提出将运放共享开关嵌入在运放内部，有效消除了级间信号串扰通路： 因此，开关产生的电荷注入和时钟馈通效应也不会对信号建立精度造成 影响：同时消除了传统结构中采用外置开关所引入的寄生电阻对运放失 调的影响。内置的共享开关仅消耗约30V的电压裕度，不会影响运放 的输出摆幅。 5)提出采用双相交叠时钟来控制运放共享开关，解决了采用传统非交叠时 钟导致的大信号建立恶化的问题。通过采用与被偏置电路一致的结构，ix 摘要 流水线型模数转换器被广泛地应用于图像处理、通信基站、数字视频和快速 以太网等领域。而对于应用越来越广泛的手持移动终端而言，低功耗对于产品电 池的使用寿命起着至关重要的作用。同时随着人们对音质、画质等感官体验的要 求越来越高，以及更为细致的数据信息量要求，高精度也成了模数转换器系统设 计中一个极为重要的方面。通常实现低功耗的方法往往会产生各种误差从而导致 精度降低，同样实现高精度又往往需要以增加功耗为代价，因此如何同时实现高 精度和低功耗成为了研究的热点和难点。 论文主要研究了应用于数字视频领域的流水线型模数转换器的低功耗及高 精度实现方法。从采用级间运放共享技术来降低功耗为切入点，首先分析了传统 运放共享结构中影响电路精度的因素。其次为了消除这些因素的影响，提出了新 的电路结构和设计技术，从而达到了同时实现高精度和低功耗的目的。搭建了流 水线模数转换器 Matlab 模型，引入了各种非理想因素参与行为级仿真，建立了 系统级的设计框架。最后完成了整个流水线模数转换器的电路设计、版图布局和 芯片测试等全部流程。 主要研究成果和工作有以下几个方面： 1) 从降低运放功耗入手，选择功耗最低的单级套筒式运放，同时采用级间 运放共享和逐级缩减等技术，实现低功耗设计。 2) 详细分析了传统级间运放共享结构中存在的记忆效应、级间信号串扰以 及共享开关引入的电荷注入和时钟馈通等各种影响电路精度的因素。为 了消除这些因素的影响，提出了一种新的双输入开关内置运放共享结构 的 MDAC 电路。 3) 提出采用两组输入差分对管的结构，共享运放的两流水级各使用一组， 每组差分对管在保持时段交替参与运放工作，而在采样时段则交替的连 接到共模输入电压进行复位，从而完全消除记忆效应，并且不需要额外 的复位时间。 4) 提出将运放共享开关嵌入在运放内部，有效消除了级间信号串扰通路； 因此，开关产生的电荷注入和时钟馈通效应也不会对信号建立精度造成 影响；同时消除了传统结构中采用外置开关所引入的寄生电阻对运放失 调的影响。内置的共享开关仅消耗约 30mV 的电压裕度，不会影响运放 的输出摆幅。 5) 提出采用双相交叠时钟来控制运放共享开关，解决了采用传统非交叠时 钟导致的大信号建立恶化的问题。通过采用与被偏置电路一致的结构