GaAs HBT超高速折叠内插ADC芯片设计方法研究

【摘要】模数转换器（ADC）通过将采集的模拟信号转换成数字输出码连接了模拟量和数字处理系统，广泛应用于各类电子领域中。根据不同的应用领域对ADC系统指标的设计要求，已经出现了许多类型的ADC，其中，高速ADC越来越受到业界的关注。由于GaAsHBT器件具有混合微波单片集成电路所要求的高电阻衬底和高击穿电压的器件特性，因此本文采用GaAsHBT工艺实现模数转换器的设计。与CMOS相比，GaAsHBT具有潜在的更高的截止频率fT，并且由于GaAsHBT比InPHBT和SiGeBiCMOS的制作工艺更简单，因而GaAsHBT的流片成本也较适中。本文对GaAsHBT超高速折叠内插ADC芯片设计方法开展了研究。在对各类ADC结构进行分析的基础上确定了本文所采用的超高速ADC结构；提出了一种适用于GaAsHBT的考虑辐照效应的器件模型；并基于本文所建立的模型对ADC的电路级进行了设计。本文取得的主要研究成果如下：（1）研究了一款超高速ADC的设计与实现。该ADC的分辨率为6bits，采样率为3Gsps，基于WIN公司截止频率fT=60GHz的1μm砷化镓异质结双极型晶体管工艺设计。该ADC的设计采用折叠内插结构，以满足其Gsps级别的采样率，宽带宽和中等分辨率的要求，相比较于全并行结构，折叠内插结构降低了电路所消耗的功耗以及占用的芯片面积。（2）建立了ADC电路级设计所需要的GaAsHBT器件模型。为了预测GaAsHBT伽马辐照效应，建立了一种新颖的考虑了伽马辐照效应的GaAsHBT模型。首先，在对VBIC模型研究的基础上，根据GaAsHBT的特性，建立了一种简化VBIC模型；其次，从GaAsHBT辐照特性出发，对该简化的VBIC模型进行了进一步修正；最后，验证了模型的有效性。（3）本文所设计的超高速ADC包含有一个采样保持放大器，一个参考电阻串，四个折叠放大器，一个内插电阻串，一个比较器阵列，一个包含有异或门阵列、或非门阵列和15-to-4ROM的数字编码器，一个嵌有高低位同步电路的粗量化器，并且为了满足测试要求，片上还集成了对ADC输出数据流进行降速处理的1:4解复用器电路。（4）采用1μmInGaP/GaAsHBT工艺实现了6bits，3GspsADC的设计、流片和测试。ADC的芯片尺寸为4.32mm×3.66mm。采用高线性度的跟踪保持放大器提高了有效分辨率ENOB，并且在折叠放大器中采用额外的一次折叠系数消除折叠电路的边界效应改善了静态性能。测试结果表明，该ADC在3Gsps采样率的情况下，ENOB达到5.53bit，有效分辨率带宽为1.1GHz，微分非线性误差和积分非线性误差的最大值分别为0.36LSB和0.48LSB，在单电源6V电压供电下，所消耗的功耗为5.43W。与文献报道的高速ADC相比，本文所设计的ADC取得了较优良的有效带宽品质因子，在同类ADC设计中性能较好，处于国内先进水平。
【作者】张金灿；
【导师】张玉明；
【作者基本信息】西安电子科技大学，集成电路系统设计，2014，博士
【关键词】模数转换器；折叠内插结构；砷化镓异质结双极型晶体管；γ辐照效应；器件模型；

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