基于统计原理的可综合随机模数转换技术研究

发布时间：2020-06-14 13:32

【摘要】：随着集成电路设计迈向更小的CMOS工艺节点,功耗与面积减小的同时,电路工作速度也更快。但是由于器件增益以及电源电压的减小使得电压裕度及信号摆幅受限,模拟集成电路性能的提升受到极大约束,并且随着工艺失配相对误差的增大,模拟电路版图设计变得更困难。相比之下,工艺节点减小对数字集成电路性能的提升影响较小,因为数字标准单元在工艺波动下也能稳定的工作,并且版图通过自动布局布线生成,体现出更显著的优势,这使得模拟电路的数字化渐渐成为研究热点。本文研究的基于统计原理的随机模数转换技术为全数字化ADC提供了一种可行的方案。为了突破传统ADC工作方式中的固有模拟特征,本文研究将信息载体从电压幅度转换到统计数据的统计原理量化方法。与传统模拟电路不同,本电路因符合统计规律,反而受益于小工艺尺寸下日益严重的失配、失调问题。本设计采用数字标准单元构建核心电路,彻底代替模拟放大器和片上无源器件,因此兼容数字流程,具有设计周期短,可移植性强的优点。本文基于数字标准单元完成了ADC电路中全数字比较器以及参考电压产生器等核心电路设计,并使用最小尺寸交叉耦合NAND构建的数字比较器阵列、数字码控制的参考电压产生器、快速编码电路和反高斯累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)校准电路组成一个随机模数转换通道。在详细对比分析多种数字比较器的基础上,通过设计电路结构,实现了模数转换通道工作范围的扩展;提出一种可以快速处理大量一位数据的华莱士树流水线加法器(Wallace Tree Pipeline Adder,WTPA),依照指标可以选择插入三级、五级、七级流水线,相比传统树形加法器提高了运算速度,减小了功耗与面积;设计基于查找表的反高斯CDF校准模块,可用于校准通道传输函数线性度,使通道输出的信噪失真比提升5.33dB;提出使用多通道结构,计算最优通道间距,并建立Simulink系统级模型研究通道特性,仿真多通道结构的随机ADC,验证了多通道结构可以扩展输入信号范围,并提高系统转换精度与线性度;完成了随机ADC依照数字流程的自动布局布线与版图设计。本文研究基于统计原理的新型可综合随机ADC架构工作原理,基于SMIC 180nm工艺设计了一种全数字ADC,对Simulink系统级模型仿真的结果显示,八通道随机ADC可达到有效位数4.87位,信噪比32.56dB。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792
【图文】：

函数模型,基本参数,模型仿真,原理

随机参考电压 CDF 曲线，比较器阵列输出之和等结果，直观展现随机 ADC的统计量化原理。图3.8 随机 ADC 的 Matlab 函数模型仿真设置一组基本参数 miu=0，sigma=1，num=1024，代表随机 ADC 原理函数模型中的样本值为 1024 个，且样本服从标准正态分布，输入信号 vin 的扫描范围定为-4到 4，对模型进行仿真，得到的结果如图 3.8 中的各图所示，vref 在均值 0 附近波动，其统计直方图轮廓

曲线,模型仿真,通道,函数模型

(a) 五通道 Matlab 函数模型仿真(b) 九通道 Matlab 函数模型仿真图3.9 五通道与九通道的 Matlab 函数模型仿真首先扫描通道个数 num，即在同样的 miu 数值范围 0.4 到 1.2 之间，第一次均匀设置 5 个 miu 值，且单组通道 num=1024，第二次均匀设置 9 个 miu 值，且单组通道num=512，得到的图线如图 3.9 所示。结合图(a)(b)中的随机参考电压分布直方图与随机参考电压 PDF 曲线，根据参数设置的条件可知，5 个 miu 值比较器的总数大于 9个 miu 值比较器的总数

【参考文献】