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摘 要

当前对于模数转换器的设计逐渐朝着高速高精度的方向发展，时间交织模数转换器（Time-interleaved ADC, TIADC）作为实现这一目标的行之有效的解决方案，近年来越来越受到广泛的关注。然而，由于芯片制造过程中的非一致性以及电路设计上的缺陷会使得TIADC系统存在多种固有的失配误差。这些误差会严重恶化TIADC的信噪失真比，从而严重制约其整体性能。尤其通道间的带宽失配的校准，学术界研究还相对较少，因此关于带宽失配校准技术的研究对于进一步改善TIADC的整体性能，具有重要的研究价值。

本文阐述了TIADC的基本结构和工作原理，详细分析了TIADC中所固有的各种通道间失配误差对系统的影响，其中重点探究了带宽失配的误差来源及其效应。在此基础上，对当前主要的带宽失配校准算法进行了详细的分析和研究，同时采用基于正弦拟合的带宽失配误差校准方法作为设计方案，该算法通过最小二乘法对注入的测试正弦信号进行拟合求解，能够准确估计出带宽失配所导致的相位偏差值，并结合基于Farrow结构的分数延时滤波器来补偿各通道的相位偏差，最终达到带宽失配的有效校准，提高了TIADC的整体性能。

算法在MATLAB开发环境中经过仿真验证，算法可以精确估计误差值且能够稳定收敛。在采样率4GS/s下，输入频率分别为200MHz和1800MHz时，校准前后SNDR改善度分别为39dB和35dB。

关键词：模数转换器，时间交织，带宽失配校准，正弦拟合

Abstract

At present, the design of analog to digital converter is gradually developing towards high speed and high precision. Time-interleaved ADC (TIADC) is an effective solution to achieve this goal. In recent years, more and more attention has been paid to it. However, due to the inconsistency in the chip manufacturing process and the defects in the circuit design, there will be many inherent mismatch errors in the TIADC system. These errors will seriously deteriorate the SNR of TIADC, thus seriously restricting its overall performance. In particular, the calibration of bandwidth mismatch between channels is relatively small in academic research. Therefore, the research on bandwidth mismatch calibration technology has important research value to further improve the overall performance of TIADC.

In this paper, the basic structure and working principle of TIADC are described, and the influence of various inter channel mismatch errors on the system in TIADC is analyzed in detail, and the source and effect of the error of bandwidth mismatch are discussed. On this basis, the current main bandwidth mismatch calibration algorithms are analyzed and studied in detail. At the same time, the bandwidth mismatch error calibration method based on sinusoidal fitting is used as the design scheme. The algorithm is used to fit the injected test sinusoidal signal through the least square method, and the bandwidth mismatch can be accurately estimated. The phase deviation value resulting from the Farrow structure is combined with the fractional delay filter based on the structure of the TIADC to compensate the phase deviation of each channel, and finally the effective calibration of the bandwidth mismatch is achieved, and the overall performance of the channel is improved.

The algorithm is verified by simulation in the MATLAB development environment. The algorithm can accurately estimate the error value and converge steadily. At the sampling rate of 4GS/s, the input frequency is 200MHz and 1800MHz respectively, and the SNDR improvement is 39dB and 35dB before and after calibration

Key words: ADC, time interleaved, bandwidth mismatch calibration, sine fitting

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 2

1.3论文主要研究内容和组织结构 3

第二章TIADC的基本原理和误差分析 5

2.1模数转换器的基本原理 5

2.1.1 基本原理 5

2.1.2 模数转换器主要类型 5

2.2模数转换器性能指标 6

2.2.1 静态指标 6

2.2.2 动态指标 7

2.2.3品质因素（FOM值） 8

2.3时间交织ADC基本原理 8

2.4时间交织ADC误差分析 9

2.4.1失调失配 9

2.4.2增益失配 9

2.4.3时钟失配 10

2.4.4带宽失配 10

2.4.5四类失配误差的整合分析 12

2.5本章小结 13

第三章 带宽失配校准算法研究 14

3.1 基于补偿滤波器的校准算法 14

3.2 基于Loss-Function的校准算法 15

3.3 基于互相关函数的校准算法 16

3.4基于FD-SOI工艺的校准算法 17

3.5本章小结 18

第四章 基于正弦拟合的带宽失配校准算法 19

4.1正弦拟合的数学建模 19

4.2基于正弦拟合的带宽失配误差的估计 22

4.3基于Farrow结构的带宽失配误差补偿 23

4.4仿真验证 24

4.5本章小结 26

总结与展望 27

致谢 28

参考文献 29

绪论

1.1研究背景

如今，数字信号处理技术已然成为信号处理中最重要的技术，在通信、雷达、语音识别等重要方面有广泛的应用。数字信号处理相比传统模拟信号处理有许多优势，数字信号处理的高速率、高稳定性、高精度等性能指标在模拟电路中很难达到。近些年，随着多媒体应用的兴起，对于数据信号的传输速率需求达到了Gbps甚至10Gbps以上，并且在不断的发展中。模数转换器（ADC）作为将模拟信号转换为数字信号的电子元件，在数字信号处理模块前端必不可少，数字处理技术的快速发展也要求ADC的性能更加好以与数字模块匹配。然而，单一ADC速度和精度之间的矛盾严重限制了ADC的总体性能，不能满足现今同时对高速率和高精度的要求。因此近年来，许多的应用场景下对ADC的采样速率要求变得越来越高，导致了大量的ADC系统采用了时间交织的设计结构。本文对过去五年内的最先进的TIADC进行了统计分析，数据资料来源于ISSCC和VLSI两大电路领域的顶级会议。通过统计的结果可以看出当前需要突破的方向。图1给出了过去五年内TIADC的采样速率分别和SNDR和SFDR之间关系的统计结果，从图中可以看出，其中大多数TIADC的设计都是采用的SAR ADC结构，这一般都是处于整体系统的面积和功耗的考虑。同时通过图中虚线可以看到，对于采样率超过10GHz的情况下，SNDR和SFDR分别限制在40dB和50dB以下，因此，对于超高速并具备高精度性能的TIADC开发仍然是一个有待解决的问题，这其中通道间失配误差的校准占据了很重要的地位。

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