高速Flash ADC量化模型设计方法研究

Analog-to-digital converters play an essential role in all kinds of electronic systems, including communications, signal processing(image, video and audio processing) and storage sytems. In particular, flash ADC has been widely used in the systems requiring very high sampling speed, like UWB systems, hard disk systems, radar detection systems, optical fiber transimission and etc. However, practical flash ADC design is very challenging, which has been dominated by design experiences, trial-and-error skills and a large amount of simulation. Flash ADC designers have often been puzzled by complex factors between ADC chip performance and its architecture, circuit, device and technological details. As the flash ADC system performance keep advancing and market demands are intensifying rapidly, it is imperative for designers to make rational decisions to balance various design factors and optimize the design. .This project will research a quantitative and comprehensive design methodology for high-speed flash ADC designs. By theoretically analyzing the structure of the flash ADC and quantitatively exploring impacts of the interpolation technique, system offsets and parasitic parameters, creating a mathematical model which can give a scientific flash ADC design guideline for circuit designers to conduct practical designs. This new design methodology will provide a quantitative mapping between ADC chip level performance specs (like speed, resolution etc.) and various design parameters at different levels, such as pre-amplifier's bandwidth, interpolation factors, number of stages, system offsets, loading effects, parasitics, transistor sizes and etc. It serves to allow designers to complete the flash ADC design in a scietific and accurate way, where optimized and well-balanced overall performance is achieved..On the other hand, a "new" flash ADC will be designed and optimized under the quidance of this quantitative methodology, and compared to a "traditonal" flash ADC designed by the traditonal way (experiences and lots of simulation) in order to verify the validity and accuracy of this methodology.

当前传统高速Flash ADC的设计主要依靠经验和大量仿真，然后根据仿真结果选择相对优化的方案。但这种经验法不仅费时，而且缺乏定量分析以至难以保证设计的科学性。本课题就是针对Flash ADC的定量设计开展研究：通过对高速Flash ADC电路结构的理论分析，对插值技术、系统误差与寄生参数的量化研究，抽象数学分析模型，建立一种关于高速Flash ADC的量化模型设计方法。此方法将目标性能指标（如Flash ADC的速度、分辨率等）和需设计与考虑的重要参数（如插值结构与系数、预放大器带宽与误差，寄生参数等）之间的关系用数学模型定量地描述，这样可根据实际需要较为科学和准确地指导高速Flash ADC的设计，并通过数学模型进行性能优化，提高设计效率。另一方面，本课题除开展理论研究外，还将分别用定量设计法和传统方法设计高速Flash ADC，进行对比研究，验证定量设计法的科学性和准确性。

高速Flash ADC具有极其重要和广泛的军民用途，而当前的设计在平衡速度、功耗、面积和性能等方面遇到了较大的瓶颈，核心原因就是缺乏数学模型和优化设计理论的支持。因此本项目将研究插值型Flash ADC的量化模型设计方法。. 本项目的主要研究内容包括：1）建立电路拓扑结构、插值/均值技术、系统误差和寄生参数的数学模型，定量地描述需求指标（如ADC 的速度、分辨率、功耗等）和需设计的重要参数（如插值结构与系数、预放大器带宽与误差、管子尺寸等）之间的关系，建立一套量化模型设计方法；2）根据量化模型设计方法，设计出一款整体性能最优的ADC芯片，并验证设计方法的科学性和准确性。. 本项目建立了一套完整的、精确的插值型Flash ADC的量化模型设计方法，方法包含一个数学模型和一个标准设计流程，因此设计人员可将设计需求（design specs）代入模型，计算出最优的设计方案。同时，本项目与国际著名的IC企业豪威科技有限公司开展产学研合作，通过量化模型设计法，完成了一款高难度的高速低功耗ADC芯片的开发，最终测试性能非常良好，采样速度达到5GSps，有效分辨率达到3.5位，核心功耗仅为49mW，完全满足预期设计需求，并且整体性能为同类型芯片中最优的，这也有力地验证了模型理论。. 本项目的研究成果具有重要的科学意义和应用价值。这是首次建立完整的插值型Flash ADC的量化模型，将设计需求指标和设计参数定量地联系起来，以实现最科学、最优化的设计；同时，在实际应用中，借助量化模型设计法，可大大提高Flash ADC芯片的整体性能，节省设计周期和成本、提升设计效率。. 本项目取得的成果：发表学术论文7篇（1篇已收录），其中EI检索4篇，SCI检索1篇，邀请报告3篇；申请中国发明专利1项；作为项目负责人承担省部级科研项目4项，作为子课题负责人承担国家科技重大专项1项，作为技术负责人承担省部级项目2项；获得人才奖励3项（四川省千人计划、四川省学术与技术带头人后备人选和电子科技大学百人计划）；职称晋升为正高研究员；参加国际/国内会议共9次，并担任TPC委员和分会主席7次，邀请报告3次，口头报告2次；担任国际模拟信号处理技术委员会（IEEE ASPTC）委员，担任四川省“十三五”科技发展规划专家工作组委员，并负责撰写了集成电路领域的规划指南。