具預先偵測動態量化器之三角積分調變器設計與電路實現

由上述具預先偵測動態量化器電路可了解，一個完整的量化輸出是建立在一 個預先偵測器偵測輸入訊號的粗略位準加上動態量化器精細量化輸出的總合上 而完成整體3 位元 37 位階的量化步驟。

4.7.1 三角積分調變器設計與電路實現

本論文所提出之具預先偵測特性之動態量化三角積分調變器整體電路概念，

如圖4-34 所示，整體電路包含二組積分器、預先偵測器、模組選擇器、動態量化 器及時脈產生器。開關部份，由於第二顆積分器的訊號取樣開關需要較良好的線 性電阻，所以這部份使用了靴帶式開關來完成。對於訊號範圍較大的訊號則使用 傳輸閘開關有利導通，而對於單一直流訊號則視訊號位準大小採用單一NMOS 或PMOS 開關使用。對於在靠近運算放大器節點端的開關會加入假元件開關來防 止不理想效應的產生。

對應的時脈在圖的右下角，相位1 做信號的取樣，當開關導通時，輸入訊號 被第一、二級積分器的取樣電容取樣。同時，輸入訊號被預先偵測器所取樣，用 以預測輸入訊號的趨勢，當相位2 導通前，偵測器的輸出被傳送到模組選擇器。

相位2 時，被決定的模組訊號將鎖定動態量化器的參考位準，使量化範圍移動到 輸入訊號附近。DAC 回授同時做積分，並對動態量化器的取樣電容進行取樣。再 當下一個1 導通時，動態量化器對積分器的輸出進行量化，並完成精細的量化輸 出。另外，靠近運算放大器輸入端的開關相位都提早斷開，以避免電荷注入效應。

另外在前饋的信號振幅預測路徑加上一個週期的延遲，以產生一個半週期的 時間延遲，以符合動態量化器需在相位2 時執行參考電壓的預充動作。由於預先 偵測器在DAC 的補償設計，所以預先偵測器的回授電容是動態量化器的 4 倍大 小。本設計裏，第一、二級積分器的器回授電容分別為Cs11=0.6 pF、Cs12=0.15 pF、

Cs21=0.2 pF 和 Cs22=0.05 pF。積分電容值分別為 Cf1=10.8 pF 和 Cf2=0.9 pF。

圖4-34 具預先偵測特性之動態量化三角積分調變器

4.7.2 運算放大器之設計

由於三角積分器的核心為運算放大器，所以在此將提出運算放大器最終設計 的效能規格，表4-3 為本論文所使用的運算放大器預計規格總結表。

表4-3 運算放大器預計規格

Parameters First Opamp Second Opamp Supply Voltage 1.8 V 1.8 V Load Capacitor 5.5 pF 1.9 pF

DC Gain ＞40 dB ＞45 dB Unity-Gain Bandwidth ＞33 MHz ＞54 MHz

Phase Margin 68°~72° 68°~72°

Slew Rate 4.73 V/μs 7.82 V/μs Tail Current 15 μA 14.4 μA Power Consumption 148 μW 106 μW

Technology 0.18 μm 1P6M 0.18 μm 1P6M

在0.18 μm 製程設計中，為了得到最大的放大增益，設計時會使輸入對的通 道長度使用最小尺寸。圖4-35(a)與(b)分別為第一、二級的運算放大器交流分析 圖，觀察在製程變異的模擬條件下，設計完成的電路對製程變異的影響微小。表 4-4 為完成的運算放大器之輸出表現，為了防止實現後的效能降低，導致整體三 角積分調變器輸出表現下降，且必需考慮製程變異所帶來的效應和運算放大器輸 出擺幅線性度的限制，在此會使設計完成的運算放大器表現有超出規格的設計結 果。

(a) (b) 圖4-35 第一、二級運算放大器之交流分析表現

表4-4 運算放大器輸出表現

Parameters First Opamp Second Opamp Supply Voltage 1.8 V 1.8 V Load Capacitor 5.5 pF 1.9 pF

DC Gain 46.5 dB 47 dB Unity-Gain Bandwidth 54 MHz 78 MHz

Phase Margin 68° 68° 和動態量化器分別為圖4-36(a)與圖 4-36(b)，合成的數位輸出訊號為圖 4-36(c)。

所得到的8192 點 FFT 輸出頻譜如圖 4-37。取樣頻率 3.2 MHz，OSR 為 64，輸出

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

Technology 0.18 μm 1P6M CMOS Technology Supply Voltage 1.8 V

Signal Bandwidth 25 kHz Clock Rate 3.2 MHz Oversampling Ratio 64

Peak SNDR 101.2 dB Dynamic Range 102 dB Power Dissipation 1.68 mW

ENOB 16.52 bits

Figure of Merit 0.358 pJ/conv.