——一种PVT稳定的13 b 625 Msps 流水线逐次逼近型ADC
下一代无线通信需要接近GHz的信号带宽才能实现大数据吞吐量，这导致SOC对低功耗高速、高精度ADC的需求增加。Pipelined-SAR ADC已成为此类ADC中的一种热门架构，它结合了具有卓越效率的SAR ADC和流水线ADC高转换速度的优点。Pipelined-SAR ADC由余量放大器（RA）以及SAR ADC这两个基本模块组成。RA通常主导ADC性能，因为它需要在PVT变化的条件下同时满足高线性度、大带宽、低噪声和低功耗的设计要求，因此它的设计是Pipelined-SAR ADC的主要设计挑战。RA主要分为两种结构，开环结构的RA带宽大但是PVT变化引起的增益误差极大，而闭环结构的RA通常受限于带宽和功耗；SAR ADC作为一种经典ADC架构，其高速条件下的性能主要受比较器亚稳态的影响，当前的常规SAR ADC设计，其速度受比较器亚稳态的影响很大，而消除比较器亚稳态影响的SAR ADC设计通常都引入了额外的代价。论文成果相关的ADC设计与测试验证由纽瑞芯科技公司联合华南理工大学李斌教授团队完成，该工作得到了深圳市科技计划和国家自然科学基金资助，以题名为“A 13 b 600-675 MS/s Tri-State Pipelined-SAR ADC with Inverter-Based Open-Loop Residue Amplifier”于2023年4月发表在《IEEE固态电路期刊》（IEEE Journal of Solid-State Circuits）。该论文介绍了一款低功耗高速高精度ADC的设计，此类ADC主要用于5G以及下一代无线通信。基于pipelined-SAR结构和40 nm CMOS工艺，通过SAR ADC以及余量放大器（RA）的结构创新，实现了更高的转换精度、更快的转换速度以及稳定的PVT性能。该论文介绍的ADC在-40~125度以及1.1~1.2 V的测试条件下，达到了600 MS/s以上的转换速度，59.8 dB以上的信噪失真比（SNDR），同时常规功耗为7.05 mW。该论文主要研究的重点之一是Pipelined-SAR ADC中的余量放大器设计。通过提出一种基于反相器的开环放大器结构，实现了PVT更稳定、功耗低、摆幅大的余量放大器，从而提升了Pipelined-SAR ADC的PVT性能，解决了Pipelined-SAR结构作为商用ADC的主要难点。该论文主要研究的重点之二是SAR ADC设计。当前高速SAR ADC的性能主要受限于比较器亚稳态（meta-stability）影响，该论文通过对SAR ADC工作模式的底层逻辑创新，提出了一种同步三态型SAR ADC（tri-state SAR ADC），此ADC结构反而能利用比较器亚稳态效应，将其作为ADC转换中的第三种状态产生额外的量化精度，并且通过极简的电路实现所需功能，因此在能实现更快的转换速度的情况下，得到额外1 bit转换精度，并不引入复杂的电路硬件成本。该论文提出的三态型SAR ADC解决了Pipelined-SAR对子模块ADC更高转换效率的需求。
图1. (a) 三态SAR ADC结构；(b) PVT稳定的开环余量放大器结构；(c) 13 b 625 Msps ADC PVT测试结果。
通讯作者
1993年出生于湖北潜江，2013年本科毕业于武汉大学物理学院，2016年硕士毕业于复旦大学微电子学院，研究方向主要是模数转换器（ADC）。毕业后在初创公司从事ADC相关的独立设计，期间参与130 nm~14 nm流片20余次，其中代表性的ADC设计为：16 b音频ADC和 625 MS/s 13 b ADC。第一发明人授权国内发明专利10余项，美国发明专利4项。作为主设参与的公司UWB芯片已经实现量产出货，性能领先国外大厂。团队发表1篇ISSCC论文。2021年进入华南理工微电子学院攻读博士学位，研究方向为超高速高精度ADC以及产品化。期间第一作者发表CICC论文一篇并获得最佳常规论文奖，第一作者发表JSSC论文一篇。目前提出和验证的主要创新性工作有：三态型SAR ADC，线性DAC电容阵列，乒乓结构预采样保持解构，1阶自校准噪声整形SAR ADC。
主要作者
李斌，华南理工大学教授，博士生导师，香港大学电机电子工程学系博士，广州集成电路设计中心副主任，华南理工大学微电子研究所副所长，IEEE电子器件分社（Electron Device Society）广州分部（Guangzhou Chapter）副主席。
研究兴趣在生物医学用集成电路设计及生物传感器、半导体器件建模和集成电路可靠性等方面。近五年来主持了国家自然科学基金项目、广东省工业科技攻关计划项目、教育部高技术人才项目等，作为主要参加者参与国家863课题项目、粤港关键领域重点突破项目、Cadence国际合作项目等。
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