电荷式流水线ADC中共模电荷误差的实时校准方法研究

基于斗链式器件（BBD）的电荷式流水线模数转换器（ADC）在A/D转换过程中无需高性能运放，开辟了低功耗高速高精度ADC实现的新途径。这种新型ADC面临的一个重要问题是：各BBD子级共模电荷受工艺（P）、电压（V）、温度（T）以及输入信号共模电平变化的影响而产生一定误差，进而严重降低ADC的输入信号范围和信噪比。本项目在定量分析共模电荷误差产生机制和变化规律的基础上，着力研究电荷式ADC共模电荷误差的实时校准方法。针对共模电荷误差实时变化的特点，拟采用复制电路局部反馈、前馈和全局负反馈等方法实时校准BBD关断点电压随PVT变化、输入信号共模电平变化、以及各子级基准电压和电容随PVT变化等因素所引起的共模电荷误差，最大程度地保证ADC输入信号范围和转换精度不受工作条件改变的影响。各种方法的理论分析和推导已初步完成，项目结束时预期在电荷式流水线ADC的共模电荷误差实时校准方面达到国际水平。

项目在对电荷式流水线ADC共模电荷误差的产生机制和变化规律进行理论分析的基础上，对基于斗链式电荷传输器件（BBD）的电荷式流水线ADC中的共模电荷误差实时校准方法开展了深入的研究。采用了复制电路局部反馈方法抑制BBD输出共模电荷随温度、电源电压和工艺（PVT）的波动；采用级间前馈方法抑制输入信号共模波动引起的共模电荷误差；采用全局负反馈方法抑制其它全局因素引起的全局共模电荷误差。项目还提出了一种对PVT波动不敏感的电荷传输开关结构来抑制BBD本身引起的共模电荷误差。在本项目和负责人承担的其它课题的支持下，将所研究的多种共模电荷误差校准电路应用到电荷式流水线ADC中，进行了多次流片验证。测试结果表明，所研究的校准方法和相应的电路能够有效地对电荷式流水线ADC的共模电荷误差进行实时校准，从而显著提升电荷式流水线ADC的转换精度。在本项目研究成果的基础上，项目组及协作单位研制成功了一款250MSPS、13位的电荷式流水线ADC，功耗仅为170mW，目前已经在部分用户单位的电子产品中试用。本项目的部分研究进展已经在半导体学报、电子学报、IEICE Electronics Express以及IEEE 低压低功耗会议（IEEE Faible Tension Faible Consommation）等期刊和会议上发表论文10 篇，申请国家发明专利3项。通过本项目的研究，先后培养了硕士毕业生5人，博士毕业生1人。