高速高精度ADC设计

发布时间：2020-04-11 10:24

【摘要】：近年来,集成电路产业发展迅速,越来越多的功能模块被集成在一块芯片上,比如红外热成像传感器芯片,便集红外线感知、模数转换和数字信号处理于一体。其中实现模数转换功能的器件被称为模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),负责将反映红外线信息的模拟电信号转换成数字信号。对于研发红外热成像传感器芯片的团队,能够独立研发出一款高速高精度的ADC,集成到自己所研发的芯片中,对产品的应用前景和团队的未来都有深远的意义。所以本文对ADC进行了深入的研究与实践:(1)在大量调研的基础上,总结了4种常用结构ADC的工作原理和应用特点。其中逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC因具有功耗低、结构简单、模拟电路少且易于集成等优点而作为本文研究的重点。(2)对于逐次逼近型ADC,按照组成其DAC的结构不同,分析了电阻分压式结构、电流叠加式结构和电荷重分配结构;阐述了相关的电容开关时序,如传统电容开关时序、单调电容开关时序、节能电容开关时序和VCM-base电容开关时序。(3)基于产品对ADC高速高精度的设计需求,采用“输出失调存储”技术,设计了CMOS两级预放大锁存比较器,由两级预放大器和一级动态锁存器构成。Cadence的仿真结果表明,第一级预放大器的增益为34.05 dB,-3 dB带宽为88.5 MHz,第二级预放大器的增益为31.04dB,-3 dB带宽为46.6 MHz,满足设计需求。(4)设计了电平转换电路完成数字电路和模拟电路之间的电平转换;采用“斩波调制技术”设计了带隙基准电路,为ADC提供基准电压;设计了振荡器电路,其输出的一定频率(500KHz)的周期信号作为斩波调制电路的时钟驱动。(5)基于SMIC 0.18 μm 1P6M 5 V CMOS工艺,设计了 16位5 V 1 MS/s的SARADC。仿真结果显示,在奈奎斯特输入条件下,本设计中的ADC有效位数达到了 15.89位,SNR(Signal to Noise Ratio)为93.99 dB,SFNR(Spurious Free Dynamic Range)为103.95 dB。
【图文】：

闪存,工作原理,逐次逼近,流水线型

２邋ＡＤＣ概述逡逑本章作为理论支持章节，首先介绍了关于ＡＤＣ的一些基本知识，包括常用逡逑ＡＤＣ的结构及其工作原理、主要性能指标、着重阐述了逐次逼近型ＡＤＣ的工作逡逑原理。逡逑２．１常用ＡＤＣ结构及工作原理逡逑常用的ＡＤＣ架构主要有：闪存型（Ｆｌａｓｈ）邋ＡＤＣ、过采样型（Ｄｅｌｔａ－Ｓｉｇｍａ，Ｓ－逡逑Ａ）ＡＤＣ，流水线型（Ｐｉｐｅｌｉｎｅ）邋ＡＤＣ，逐次逼近型（Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ邋Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ邋Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，逡逑ＳＡＲ）邋ＡＤＣ。逡逑２．１．１闪存型ＡＤＣ逡逑逦逡逑

过采样,工作原理

闪存型ＡＤＣ也称为并行ＡＤＣ［２５】，其工作原理如图２－１所示。它通过一系列逡逑的电阻值，通过电阻分压原理获得相应位的参考电压，同时一系列比较器的正负输逡逑入端分别连接到这些参考电压和采样保持电路的输出端。当ＡＤＣ开始正常工作时，逡逑比较器组开始比较参考电压与采样保持电路输出模拟量的大小，然后输出一系列逡逑的逻辑１和逻辑０，最后数字编码电路通过对这些逻辑１和逻辑０编码，输出模拟逡逑量的数字码。显而易见，，闪存型ＡＤＣ在一个时钟周期内便能完成一次模拟信号到逡逑数字信号的转换，因而在四种ＡＤＣ结构中，具有最快的转换速度。逡逑但是，对于一个ＡＭ立的闪存型ＡＤＣ，它需要２〃－１个比较器和２〃个电阻，可逡逑见随着转换位数的增加，其需要的电阻和比较器数量呈指数增长，导致芯片的功耗逡逑和面积快速增加，所以在高速低精度场合，该ＡＤＣ具有很广泛的应用。逡逑２．１．２过采样型ＡＤＣ逡逑过采样型ＡＤＣｉ２６，２７］由过采样调制器和数字滤波器两个主要模块组成，其工作逡逑原理如图２－２所示。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792

【参考文献】