يانغ لونغ، Wangzong مين

(معهد الالكترونيات الدقيقة والتكنولوجيا بكين، بكين 100076)

تصميم أدنى مستوى له في السلطة 16-بت 100 MS / ثانية عبر خط انابيب A / D المحول. باستخدام مجال السعة تقنية تقليل بين مرحلة، وتحسين بنية وكسب DAC (MDAC)، يتم تقليل مكثف أخذ العينات. اثنان عالية الأداء ومنخفضة الطاقة موصلية منقولة التشغيلي مكبر للصوت (OTA) قبل خط أنابيب، لزيادة خفض استهلاك الطاقة بنسبة يتحامل تقنيات حيوي. مختلط إشارة رقاقة 0.18 ميكرون عملية CMOS، 1.8 V واحدة امدادات الطاقة. بعد الاختبار، وتحويل خط أنابيب A / D في تكرار الإدخال إلى 5 ميغاهيرتز، وإشارة إلى الضوضاء ونسبة تشويه (وSNDR) من 74.2 ديسيبل، ومجموعة ديناميكية مجانا زائفة (SFDR) من 91.9 ديسيبل، واستهلاك الطاقة الكلي هو 210 ميغاواط.

OTA السلطة؛ MDAC. التحيز الديناميكي، عبر خط انابيب A / D تحويل

CLC: TN47

كود الوثيقة: A

DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.018

شكل الاقتباس الصيني: يانغ، Wangzong حد الأمثل MDAC على أساس الطاقة المنخفضة عبر خط انابيب A / D تحويل التكنولوجيا الالكترونية، 2017،43 (1): 68-71.

الإنجليزية شكل الاقتباس: يانغ لونغ وانغ Zongmin. المتوالية والطاقة المنخفضة ADC مع تحسن MDAC .Application من تقنيات الالكترونية، 2017،43 (1): 68-71.

0 مقدمة

سرعة عالية الدقة A / D المحول هو نظام الاتصالات اللاسلكية والمحمولة الحصول على البيانات وحدات مفتاح الجهاز. عبر خط انابيب A / D المحول يمكن أن يكون تسوية معقولة بين السرعة والدقة، في حين تحقيق منطقة رقاقة صغيرة ومنخفضة استهلاك الطاقة. في السنوات الأخيرة، ودقة عبر خط انابيب A / D تحويل يمكن أن تصل إلى 14-16، وسرعة 80 ~ 150 MS / ق.

هذا التصميم يحقق أدنى مستوى له في السلطة 16 بت 100 MS / ثانية عبر خط انابيب A / D المحول. وعبر خط انابيب A / D المحول إلى المرحلة الثالثة إلى المرحلة الخامسة من هيكل MDAC مبسطة يقلل من منطقة رقاقة واستهلاك الطاقة. وصلت MDAC في تحقيق مكاسب OTA، عرض النطاق الترددي، هامش المرحلة وتسوية وقت الأداء العالي جدا. منذ OTA احتلال معظم استهلاك الطاقة من MDAC، عن طريق الاستفادة المثلى من استهلاك الطاقة من OTA سوف تساعد على تحسين الكفاءة العامة لتحويل الطاقة. تقنية التحيز الحيوية يقلل من استهلاك الطاقة من الدائرة مرحلة أخذ العينات.

1 العمارة ADC

وهو يعمل خط A / D المحول هو تحويل متعددة المراحل. بالإضافة إلى المرحلة الأخيرة، كل مرحلة تنفذ لتكميم الرقمي للإشارة تناظرية، وتحويل التناظرية الرقمية، وبحساب الفرق بين الجهد تضخيم I. عبر خط انابيب A / D اختيار تحويل بنية مرنة جدا. دقة مستوى توزيع تعقيدا وأهمية. وأقل عدد بت لكل مرحلة، وانخفاض الاحتياجات شبه ADC مقارنة تعويض، كل مرحلة تحويل أسرع. يتم تقليل عدد من المقارنات المطلوبة تحويل، ولكن زيادة عدد مراحل، يطلب من عدد من MDAC وعدد من OTA أيضا الزيادات. يزيد من استهلاك الطاقة الكلي أيضا. بعد إدخال الضوضاء ومرحلة الخطأ تأثير كبير على دقة التحويل. هيكل شيوعا هو أول مرحلة متعددة بت، وتستخدم 1.5 بت في الخلفية مرحلة / مراحل، حلا وسطا معقولا بين استهلاك الطاقة والدقة. وعلى العكس، كلما كان عدد بت لكل مرحلة، وكلما قل تأثير الخطأ الضوضاء التي أدخلها مرحلة لاحقة من دقة تحويل الشاملة، ولكن دقة ADC متطلبات الزوج الزيادة، وعدد من المقارنة أيضا إلى النمو الهائل. منذ يقلل من معامل التغذية المرتدة، ومحركات الأقراص أمبير المرجع السعة MDAC تصبح كبيرة، يتطلب عرض النطاق الترددي العالي المرجع أمبير . وهكذا، يزداد أيضا تحويل الطاقة الكلي.

وثيقة تحليل لمستوى التوزيع التفاصيل دقة قريب. وأشار التحليل إلى أنه، يفترض في تطبيقات عالية السرعة إشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR) والسلطة المفاضلات صارمة، ودقة الأمثل على مستوى بت 03/02 بت أو مرحلة / مراحل. ومع ذلك، في التصميم الفعلي، المعلمات الدائرة للهياكل التكوين الدوائر الكهربائية وتخطيط ليست هي نفسها، فمن الصعب تخصيص موحدة الدقة مستوى النهج. في هذه الأطروحة، خط أنابيب A / D تحويل هو مبين في الشكل (1). ثلاثة خطوط قبل استخدام 4 بت / المرحلة، واستخدام ثلاثة 3-بت / المرحلة، خط أنابيب A / D تحويل مزيد يتألف عينة وعقد الدوائر، والدوائر ذات فجوة الحزمة المرجعية ودارة السائق على مدار الساعة. MDAC مع التكوين الأمثل، ويمكن أن تكون على دقة عالية على أساس تحويل مزيد من أنه يقلل من استهلاك الطاقة.

2 ADC تصميم الدوائر

2.1 هيكل MDAC

MDAC هي الدائرة مكثف تحول، إشارة عقد العينة، وفرق الجهد بين حساب وتضاعفت. أساسا من الدوائر التبديل، ومجموعة مكثف يتكون من OTA. تحويل المدخلات مسار نقل الإشارات عادة ألبس الحذاء التبديل لتحسين إشارة الخطي. وردود الفعل أخذ العينات مكثف السعة من قبل نفس المكثفات حجم وحدة، لضمان تخطيط السعة مطابقة. يحدد الربح أوتا دقة الخطأ الجهد المتبقي، عرض النطاق الترددي OTA يحدد خصائص المؤسسة، مما يحد من سرعة التشغيل من OTA.

MDAC الهيكل التقليدي هو مبين في الشكل 2، تعمل في وضع الفرق بالكامل، ولها دقة عالية تحويل ودقة السعة مطابقة. هذا التكوين يقمع بشكل فعال إشارة حتى التوافقية. لكن حجم منطقة الدائرة السعة والدوائر التفاضلية بالكامل أكبر، وارتفاع استهلاك الطاقة. MDAC من OTA أيضا إلى عرض النطاق الترددي العالي، محرك أكبر سعة. منذ تعادل مساهمة الضوضاء مدخلات مستوى الضوضاء الصغيرة، ويمكن أن تقلل من حجم وعدد من المكثفات أخذ العينات، OTA تدهور الأداء، مما يقلل من استهلاك الطاقة من الدائرة.

متطلبات MDAC بسبب انخفاض مستوى بعد عدم تطابق مكثف وإزاحة OTA يمكن تحسين MDAC. MDAC تبسيط هيكل هو مبين في الشكل. عن طريق تغيير وضع اتصال وإخراج مقارنة العينات مكثف مجموعة يمكن أن تقلل من عدد من المكثفات أخذ العينات. منذ واحد فقط الضوابط مقارنة مكثف أخذ العينات، MDAC لا يعمل في وضع الفرق بالكامل. مكثف C0 وC0 'هو نصف وحدة السعة، والجهد الناتجة عن إشارة الجهد تحولا إيجابيا متماثل والجهد إشارة سالبة. وحدات أخرى هي المكثفات السعة. 1 و2 تمثل مرحلة أخذ العينات وإجراء المرحلة. MDAC توقيت التشغيل الرسم البياني هو مبين في الشكل.

MDAC مثالا لأعمال المرحلة الثالثة. مستوى دقة هو 4، ثم n هو 8. في مرحلة أخذ العينات، وترتبط المكثفات أخذ العينات لإشارة الدخل، ومبلغ تهمة إدخال OTA يلي:

يمكنك الحصول على نفس وظيفة نقل عند م هو عدد فردي، ونقل وظيفة الدائرة مع وظيفة نقل نفس في وضع الفرق بالكامل. MDAC هيكل مبسط من نصف عدد المكثفات أخذ العينات، MDAC الدائرة أنشأت السرعة يصبح أسرع، وخففت القيود OTA التصميم. وتدهورت دائرة الضجيج حتى التشوه التوافقي للإشارة، ولكن لا تحد من الأداء العام للمكبر للصوت. مبسطة MDAC هيكل في مرحلة لاحقة فقط باستخدام المرحلة الثانية، المرحلتين الأوليين من الضجيج والتشويه بسبب مطالبة، لا تزال تستخدم MDAC التقليدي تماما هيكل التفاضلية.

2.2 تصميم أوتا

OTA هو مفتاح دائرة وحدة MDAC. قبل OTA MDAC الحاجة للقيادة في مرحلة لاحقة MDAC وشبه ADC، لذلك هادئة كبيرة أن OTA أصبحت وحدة ADC تستهلك معظم الطاقة في التيار OTA. وقت الإعداد أوتا إلى غير الخطية والخطية وقت معدل عدد كبير إشارة صغيرة زمن الاستقرار. لسرعة تحقيق الاستقرار، OTA يتطلب عرض النطاق الترددي العالي وهامش مرحلة كافية. أدى خطأ أوتا مكاسب محدودة في المتبقي خطأ الجهد. المتبقي الجهد الخطأ الفعلي هو على النحو التالي:

صيغة (7) هي ردود الفعل عاملا ، بالإضافة إلى مكثف أخذ العينات ردود الفعل وقيمة السعة السعة الطفيلية هو أيضا OTA المدخلات ذات الصلة. يمكن أن ينظر أعلى مكبر للصوت مكسب، والفرق هو أصغر من الجهد الخطأ.

متطلبات تحقيق مكاسب OTA MDAC، عرض النطاق الترددي ومعدل عدد كبير هي ارتفاع هامش المرحلة، فمن الضروري لتحديد التكوين OTA المناسب. كما يقلل حجم الميزة، يتم تقليل كسب الترانزستور MOS جوهري مستمر، وكسب التكوين احتكار من الصعب تلبية الاحتياجات. بعد تحليل دقيق، التكوين OTA تستخدم في هذه الورقة كما هو موضح في الشكل. يستخدم المرحلة الأولى مكبر للصوت المصدر شيوعا بسيطة، وتوفير نسبة عالية مدخلات قتله. الترانزستورات PMOS كما أنبوب المدخلات، وتأثير الجسم يمكن القضاء عليها، لتقديم الخطي أفضل. المرحلة الثانية هي الفرقة مكاسب التمهيد منظار cascode مكبر للصوت التشغيلي. وفيما يتعلق التكوين مطوية، وانخفاض استهلاك الطاقة للهيكل كم من نوع. وتنص المرحلة الثانية مكاسب عالية ومعدل عدد كبير عالية. الحاجة إلى التفاضلية بالكامل مكبر للصوت التشغيلي النمط الشائع دائرة ردود الفعل لتحقيق الاستقرار في مستوى وضع المشتركة الانتاج. يستخدم المرحلة الأولى لمرة والمستمر الدائرة وضع شيوعا ردود الفعل بسيطة. عندما الحالية أقل من الترانزستور الحالي M1، M2 من مستوى الانتاج يرتفع. زيادة التيار المار من خلال M5. منذ M4 الحالي هو قيمة ثابتة، ويقلل من M2 الحالي بما يتفق مع M1 الحالي تدريجيا. إخراج مستقرة مستوى وضع المشتركة، ومكافحة خلاف ذلك. يتم تشغيل المرحلة الثانية مكثف النمط الشائع دائرة ردود الفعل، كما هو مبين في الشكل. في مرحلة أخذ العينات، يتم إغلاق مفتاح S1، S2 مفتاح مفتوح ومكثف C1 والإشارة الجهد VCM شحن الجهد التحيز المنتدى. في مرحلة عقد، يتم إغلاق مفتاح S2، والتحول هو تحول S1 قبالة، وC1 مكثف وC2 إعادة تخصيص تثبيت مستوى وضع المشتركة الانتاج تهمة. إضافة مصدر أتباع عزل الضوضاء دائرة ردود الفعل بين الجهد ردود الفعل والجهد التحيز Vcmfb Vb8. اثنين من الخصائص تردد من عدم الاستقرار المرجع أمبير، من خلال مكثف سلسلة والمقاوم بين المدخلات وصول الانتاج الى التعويض المرحلة الثانية يدخل الصفر للقضاء على القطب.

دينامية دائرة التحيز 2.3

ADC هو OTA حدة ارتفاع استهلاك الطاقة، OTA الاستفادة المثلى من استهلاك الطاقة وانخفاض كبير من قبل ADC. منذ OTA المرحلة عقد العمل فقط، بحيث مرحلة أخذ العينات من استهلاك الطاقة هي زائدة عن الحاجة. توثيق جزء مضخم العمليات باستخدام تكنولوجيا التحول لتقليل استهلاك الطاقة عن طريق قطع المرحلة الحالية أخذ العينات OTA . ولكن هذا المرجع أمبير تسوية الوقت يزيد من وقت الانتعاش سرعة لحد من التحويل الحالية. تقنية التحيز الديناميكية هي مفاضلة استهلاك الطاقة والسرعة. في مرحلة أخذ العينات، من خلال تعديل قيمة الجهد تحيز OTA، يتم تقليل أوتا الحالي هادئة دون معزولة تماما. أوتا ديناميكية الجهد التحيز VB1 من المرحلة الأولى من الدائرة توليد هو مبين في الشكل. 1 و2 هي على مرحلتين غير متداخلة على مدار الساعة. في مرحلة أخذ العينات، وفاي] ل 3 عالية، واتهم مكثف C1، C2 و C3 بشكل منفصل. في مرحلة عقد، [فاي] (2) عالية و4، وترتبط ثلاثة المكثفات معا. حيث بوابة الطفيلية حزب المحافظين السعة لا يمكن تجاهلها. في مرحلتي العمل، لا تزال تهمة بوابة الترانزستور M1 ثابت. الحصول على الجهد التحيز عند أخذ العينات المرحلة على النحو التالي:

مناسبة يمكن الحصول عليها عن طريق ضبط الجهد التحيز المكثفات C2 و C3 من النسبة. الجهد التحيز هو أقل قيمة الجهد من العملية العادية، والحالي هادئة من OTA النقصان، والحد من استهلاك الطاقة.

3 نتائج اختبار

في هذه الأطروحة، وتحويل خط أنابيب A / D في 0.18 CMOS ميكرون معالجة المصب رقاقة مختلط إشارة، عند 1.8 V امدادات الطاقة واحد، و 100 MS / ثانية اختبار معدل العينة، واستهلاك الطاقة الكلي هو 210 ميغاواط.

ساكنة استقامة مميزة التفاضلي (DNL) في الكثافة كود قياس A / D تحويل واستقامة لا يتجزأ (INL). إشارة الدخل هي إشارة جيبية إلى 5 ميغاهيرتز، لعينة 16 M في 100 MS / ثانية معدل العينة. INL وDNL نتائج القياس هو مبين في الشكل 8. خطأ DNL هو في حدود 0.3 LSB مجموعة، الخطأ INL ضمن 2.3 LSB مجموعة، 16 لتلبية متطلبات تحويل تصميم خط أنابيب A / D.

في 5 ميغاهيرتز الظروف مدخلات الجيبية، وأخذ عينات من إشارة خرج و64K البيانات إلى MATLAB بسرعة تحويل فورييه (الاتحاد الفرنسي للتنس) التحليل، فإن النتائج كما هو مبين في الشكل. ويمكن الحصول على SFDR كما 91.9 ديسيبل، SNR هو 74.4 ديسيبل، SNDR إلى 74.2 ديسيبل، وعدد فعالة من البتات (ENOB) 12.04. تم تصميم الجدول 1 من هذه الورقة عبر خط انابيب A / D تحويل والمعلمة مقارنة أداء مماثلا نشرت مؤخرا / D المحول. ويمكن أن يرى في هذه الوثيقة A / D تحويل الجدارة (للFOM) من 0.5 FJ / خطوة، والأداء الممتاز في نفس الدائرة.

4 خاتمة

تقدم هذه الورقة الأمثل المنخفضة للطاقة مقرها MDAC 16100 MS / ثانية عبر خط انابيب A / D المحول. استخدام تقنيات للحد من بين مرحلة للحد من منطقة رقاقة. MDAC باستخدام بنية مبسطة، من دون التضحية بالأداء الدوائر، والحد من استهلاك الطاقة ومنطقة رقاقة. تصميم MDAC الذي هو مناسبة لعالية الأداء OTA، فإن المكسب، وصلت عرض النطاق الترددي ومعدل عدد كبير الأداء العالي جدا. اقترحنا ديناميكية الإزاحة في تقنية OTA، وكذلك الحد من استهلاك الطاقة من الدائرة. وأظهرت نتائج الاختبار أن متوسط الفعال عبر خط انابيب تحويل A / D يصل 12.04، ويفضل أن يكون قيمة 0.5 FJ / خطوة.

مراجع

BRUNSILIUS J، E SIRAGUSA، وآخرون al.A 16B 80 MS / ق 100 ميغاواط 77.6 ديسيبل SNR CMOS خط أنابيب ADC .Proc.IEEE ISSCC Dig.Tech.2011: 186-188.

تشيو Y، GRAY P R، نيكوليتش B.A 14-ب 12 MS / ثانية ADC CMOS خط أنابيب مع أكثر من 100 ديسيبل SFDR الدوائر الحالة الصلبة، 2004،39 (12): 2139-2151.

LEE B G، B MIN M، MANGANARO G، وآخرون al.A 14-ب 100 MS / ثانية ADC عبر خط انابيب مع دمج SHA وMDAC الأول الدوائر الحالة الصلبة، 2008،43 (12): 2613-2619.

PANIGADA A، غالتون أولا (أ) 130 ميغاواط 100 MS / ثانية ADC عبر خط انابيب مع 69 ديسيبل SNDR تمكين من تصحيح التشوه التوافقي الرقمي الدوائر الحالة الصلبة، 2009،44 (12): 3314-3328.

ديفاراجان S، SINGER L، وآخرون al.A 16B 125 MS / ثانية ADC خط أنابيب 385 ميغاواط 78.7 ديسيبل SNR CMOS الدوائر الحالة الصلبة مؤتمر الهضم ورقات التقنية، ISSCC 2009، IEEE الدولية: 86-87.

AO K، HE Y، LI L، وآخرون al.A 14 بت 100 MS / ثانية عبر خط انابيب A / D المحول مع 2B interstage redundancy.Integrated الدوائر 0.201414 الندوة الدولية on.IEEE، 2014: 83-86.