低功耗逐次逼近模拟数字转换器的设计与研究

发布时间：2017-03-22 10:14

  本文关键词：低功耗逐次逼近模拟数字转换器的设计与研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着半导体工艺的发展,逐次逼近模拟数字转换器的速度得到提高,同时逐次逼近模拟数字转换器以其高能量效率在高速和高精度的模拟数字转换器中替代流水线模拟数字转换器获得越来越多的青睐。电容不匹配、数字模拟转换器建立的不完全是制约逐次逼近模拟数字转换器线性度和速度最主要的因素。基于CSMC 0.18μm 1.8 V电源电压的CMOS混合信号工艺,本论文完成了一款基于双输入开关内置运放的10-bit 50Msample/s流水线模拟数字转换的电路设计、版图布局、仿真测试以及芯片测试等工作。该流水线模拟数字转换器的输入信号设计指标为：输入信号共模电平950mV,输入信号范围-900mV至900mV。芯片测试结果显示,本论文设计的10-bit 50Msample/s流水线模拟数字转换器有效位可以达到7.6-bit,无杂散动态范围可以达到52.2dB,信噪比可以达到47.3dB。本文还着重从理论分析到具体的电路设计这两个方面研究了低功耗逐次逼近模拟数字转换器的设计：(1)为了降低电容阵列总电容,对merged capacitor switching(MCS)算法做了改进,改进后的DAC最低位的单位电容的底极板电平需要根据前一位的量化结果进行切换,不再保持连接参考电平。相比较于传统MCS算法,改进型MCS算法的功耗和电容值分别有50%和70%的减少。(2)为了更好地呈现改进型MCS算法的功耗优势,给出了采用改进型MCS算法的3-bit SARADC的开关功耗的详细计算过程。(3)为了提高逐次逼近模拟数字转换器的采样速率,对detect-and-skip(DAS)算法进行了优化。改进型DAS算法中,粗量化逐次逼近模拟数字转换器每量化完成一位,细量化逐次逼近模拟数字转换器的相应位的电容底极板电平就立刻进行切换。(4)详细分析了采样开关噪声和电容不匹配对电路的影响,并对单位电容的取值进行了详细的分析和计算。相比较于基于传统MCS算法构建的逐次逼近模拟数字转换器,基于改进型MCS算法和改进型DAS算法构建的逐次逼近模拟数字转换器功耗和电容值分别降低80.585%和47.6%。基于SMIC 0.18μm 1 P6M CMOS混合信号工艺设计了一款采用改进型MCS算法和改进型DAS算法的10-bit精度50MHz采样率低功耗逐次逼近模拟数字转换器。在1.8 V电源电压下,输入模拟信号的共模电压900mV,输入模拟信号范围-1.6V至1.6V。
【关键词】：逐次逼近模拟数字转换器 低功耗 改进型MCS算法 改进型DAS算法
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN792
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-19
• 1.1 工艺特征尺寸减少带来的挑战15-16
• 1.2 模拟数字转换器的架构16-18
• 1.3 本论文的创新之处18-19
• 第二章 传统SAR ADCs技术及其面临的挑战19-30
• 2.1 奈奎斯特速率ADCs的搜索算法19-23
• 2.1.1 全并行(Flash)ADC19-20
• 2.1.2 二进制逐次逼近算法20-21
• 2.1.3 流水算法21-23
• 2.2 SAR架构23-26
• 2.3 SAR ADCs中的静态误差26-28
• 2.3.1 电容不匹配27-28
• 2.3.2 失调误差28
• 2.4 SAR ADCs中的动态误差28-29
• 2.5 总结29-30
• 第三章 Pipeline ADC的设计与研究30-43
• 3.1 Pipeline ADC数字校正算法30-33
• 3.2 MDAC及其非理想因素33-35
• 3.2.1 记忆效应34
• 3.2.2 级间串扰34-35
• 3.2.3 运放共享开关的电荷注入和时钟馈通35
• 3.3 双输入开关内置运放共享MDAC35-37
• 3.3.1 双输入开关内置运放共享MDAC架构35-36
• 3.3.2 运放偏置电路36-37
• 3.3.3 共模反馈电路37
• 3.4 电路整体架构37-38
• 3.5 电路仿真结果38-39
• 3.6 电路版图39-40
• 3.7 电路的测试结果40-42
• 3.7.1 电路测试环境40-41
• 3.7.2 Pipeline ADC测试结果41-42
• 3.8 总结42-43
• 第四章 SAR ADC的设计与研究43-57
• 4.1 改进型MCS算法43-49
• 4.1.1 改进型MCS算法的工作原理46
• 4.1.2 改进型MCS算法的开关切换功耗46-49
• 4.2 10-bit SAR ADC设计与实现49-56
• 4.2.1 10-bit SAR ADC的整体架构49-54
• 4.2.2 DAC阵列的单位电容54-55
• 4.2.3 SAR ADC开关功耗55-56
• 4.3 总结56-57
• 第五章 SAR ADC的实现与仿真57-73
• 5.1 采样保持电路设计57-62
• 5.1.1 NMOS开关57-58
• 5.1.2 CMOS开关58-59
• 5.1.3 栅压自举开关59-61
• 5.1.4 采样保持电路仿真61-62
• 5.2 SAR ADC数字校正算法62-66
• 5.3 动态锁存比较器66
• 5.4 SAR ADC控制逻辑66-68
• 5.4.1 SAR ADC控制逻辑67
• 5.4.2 SAR ADC仿真67-68
• 5.5 SAR ADC的输出电路68-69
• 5.6 SAR ADC的整体仿真结果69-72
• 5.7 总结72-73
• 第六章 工作总结与未来工作展望73-75
• 6.1 工作总结73-74
• 6.2 未来工作展望74-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况79

  本文关键词：低功耗逐次逼近模拟数字转换器的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：261327