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应用于相干光接收机中的超高速ADC设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 ADC的性能指标

1.3.1 信噪比

1.3.2 无杂散动态范围

1.3.3 信噪失真比

1.3.4 有效位数

1.3.5 微分非线性

1.3.6 积分非线性

1.4 时间交织技术

1.4.1 直流偏移失配

1.4.2 增益失配

1.4.3 时序失配

1.5 并行结构ADC

1.6 论文结构

第二章 相干光通信系统

2.1 16QAM光调制格式发送方案

2.1.1 基于4ASK的方形16QAM生成方案

2.1.2 发射机模型

2.1.3 仿真结果

2.2 16QAM光调制格式接收方案

2.2.1 零差相干检测系统

2.2.2 16QAM接收系统的OptiSystem实现

2.2.3 仿真结果

2.3 对高速ADC的要求

第三章 4bit 60GS/s ADC系统分析

3.1 系统结构

3.2 系统验证

3.2.1 时钟分布电路

3.2.2 采样保持电路

3.2.3 4bit Flash ADC

3.2.4 多路复用器

3.3 仿真结果

第四章 ADC关键电路设计

4.1 采样保持电路

4.1.1 采样保持电路的主要结构

4.1.2 缓冲器设计

4.1.3 开关电路

4.1.4 THA仿真结果

4.2 差分参考电压阶梯

4.2.1 DRL主要结构

4.2.2 DI也设计

4.2.3 仿真结果

4.3 高速比较器

4.3.1 前置放大器

4.3.2 主从式D触发器

4.3.3 仿真结果

4.4 数字编码器

4.4.1 编码器结构选择

4.4.2 CML逻辑

4.4.3 仿真结果

4.5 时钟分布电路

4.5.1 AND设计

4.5.2 仿真结果

4.6 多路复用器

第五章 4bit 15GS/s Flash ADC版图设计与仿真测试

5.1 关键电路模块版图设计

5.1.1 THA版图

5.1.2 DRL版图

5.1.3 数字电路版图

5.2 电源和地线布局

5.3 仿真与测试方案

5.3.1 静态指标仿真与测试

5.3.2 动态指标仿真与测试

5.4 测试结果

第六章 总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

全球IP业务流量在近几年内的激增对光纤通信系统提出了更高的要求。为了应对急剧增长的数据流量,先进运营商、标准组织、研究机构以及设备供应商已经将目光聚焦到了下一代光传输网络的技术和标准的研究工作中。相干光通信技术作为下一代光传送网络实现的关键技术,离不开高速数据转换器的保障。高速ADC和高速DAC是整个相干光通信系统中电路设计的瓶颈。但是目前国内高速ADC的发展还很缓慢,与国际上的差距巨大。
  针对国内高速ADC的发展现状和未来通信系统对高速ADC的性能需求,本论文研究并设计了4bit的超高速ADC。芯片采用时间交织技术,将4路并行工作的快闪式ADC多路复用,达到提高芯片总体采样率的目标,适用于在相干光接收机中对多电平调制的信号数字化处理。整个论文的工作持续了一年多,对基于双极型晶体管的ADC电路设计有深入的研究。
  本文的主要研究内容如下:
  1.对基于16QAM调制方式的相干光通信系统进行了仿真验证,指出了高速数据转换器在下一代光传送网络中的重要意义。详细介绍了相干光通信系统的各个主要模块,并分析了采用4ASK方式的16QAM调制格式生成方案。此系统为本文设计的ADC的应用场景,为电路设计提供了系统级的指标要求。
  2.完成了四通道时间交织技术ADC系统验证与建模。建立了理想的时钟分布电路、采样保持电路、4位并行结构ADC以及多路复用器的Verilog或VerilogA模型,采样保持电路采用跟踪保持的方案建模。验证了4bit60GS/s的TI-ADC工作原理,为具体电路设计提供指导。
  3.设计了4bit15GS/s的Flash ADC。重点分析了采样保持电路、差分参考电压阶梯、高速比较器以及采用电流模逻辑的数字编码器和多路复用器电路等。在电流模逻辑电路中,异或门和与门在传统结构的基础上设计了平衡结构,优化了各输入到输出的延时对称性。采用IBM0.13um SiGeBiCMOS工艺设计了一款4位分辨率、15GS/s采样率的高速ADC芯片,芯片整体面积1050um×1890um,测试功耗2.4W,最大采样率可达到21.12GS/s,DNL为-0.24LSB和+0.58LSB,INL为-0.13LSB和+0.58LSB。在20GS/s采样240MHz正弦输入信号时,测试信号噪声失真比为14.37dB,有效位数2.1位。

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