5G设计:ADC的电容参考稳定

将SAR ADC与容性DAC耦合是实现5G无线接收器所需的中等分辨率和速度的节能转换的常用方法。结合流水线,交错和数字校准等技术,已经证明了具有高达12位ENOB(有效位数)精度和几百MHz速度的混合ADC。利用这些特性,这些ADC可以提供5G应用所需的吞吐量。

虽然ADC本身非常节能,但它对周围的电路也造成严格的限制,特别是在参考电压方面。实际上,DAC从参考电压中获取与信号相关的电荷 - 这是实现容性DAC的所有逐次逼近寄存器(SAR)ADC的共同特性。如果没有稳定此参考电压的措施,则会产生与信号相关的参考电压调制,这会在ADC输出端显示为谐波失真。

传统的解决方案包括以面积和/或功率为代价添加更多的片上去耦电容或高速参考缓冲器。

从参考信号中提取的信号相关电荷完全由特定DAC拓扑确定。因此,它是可预测的,并且可以通过用另一个信号相关电荷消除信号相关电荷来稳定参考,该电荷消除了参考电压上的纹波。Imec现已成功实现了基于在交错流水线SAR ADC中使用辅助DAC的这种参考稳定技术。


图1电容参考稳定的基本原理

图1显示了这种稳定技术的基本概念。当输入信号被采样到主DAC时,参考电压也被采样到参考电容器Cref上,而辅助DAC Caux被放电(步骤1)。当主DAC然后根据代码B1切换以产生残余时,辅助DAC的代码相关数量的单元也连接到参考节点(步骤2)。通过为每个代码B1选择适当的Caux大小,可以使主DAC和辅助DAC绘制的电荷之和保持恒定。参考电压下降,但下降现在与信号无关。

最后,主DAC重置为其原始状态。该操作还从参考中获取依赖于信号的电荷。通过使用与第二辅助DAC Creset相同的稳定技术,该第二参考电压降也变得与信号无关(步骤3)。参考缓冲器现在只需要以恒定的电荷量为Cref充电,这极大地放宽了其带宽要求。

图2图2描绘了实现上述稳定技术的2×交错流水线SAR ADC的图。在这种架构中,最关键的残留物是第一阶段产生的最后残留物。因此,仅当主DAC产生该残余时才应用稳定技术。该DAC使用2个子DAC用于正输入范围和负输入范围,这降低了开关能量,但也导致代码B1的非常非线性映射到辅助DAC的正确设置Caux需要消除电荷的信号依赖性由主DAC绘制。

6位代码B1由小粗略SAR量化器确定,其仅需要6位线性度,因此不会对其参考施加严格条件。查找表(LUT)将代码B1映射到辅助DAC的右侧设置。然后,主DAC将辅助DAC Caux连接到参考节点。在残余放大之后,主DAC复位并且辅助DAC Creset连接到参考节点,如上所述。通过第二级进一步量化放大的残余,以实现整体14位量化级。

图2 2×交错流水线SAR ADC图
 
LUT与粗略SAR量化器同时寻址,以大大减少关键时序路径。为了填充LUT,具有内置偏移的比较器将最终参考电压与标称值Vref0进行比较,并且校准引擎调整每代码B1的Caux设置。Creset的设置很好地通过分段线性解码器来近似。

图3芯片显微照片

测试芯片采用16nm FinFET技术制造。核心区域是350×325微米2与16%的它用于包括50pF的Cref的的参考稳定方案。用电容稳定技术测得的谐波减少如图4所示。对于高速操作,Caux和Creset均可显着改善SFDR(无杂散动态范围),并将杂散抑制到80 dBFS以下。在303 MS / s时,SNDR(信噪比加失真率)分别为64.0 dB和69.3 dB,分别为低频和奈奎斯特输入。功率仅为3.6 mW,导致最先进的Walden和Schreier FoM分别为9.2 fJ / conv.-step和170.2 dB,如图5所示。

图4使用辅助DAC减少杂散

图5 ADC与不同最先进架构的比较

这些结果表明,通过使用辅助DAC可以稳定参考电压,辅助DAC可消除由于SAR ADC中的DAC切换引起的参考电压的信号相关压降。当DAC复位时也应用时,参考节点上的负载与信号无关,这显着降低了对参考缓冲器和/或片上去耦电容的要求。

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