高效CMOS逐次逼近型模数转换器关键技术研究

发布时间：2020-06-17 10:03

【摘要】：随着集成电路技术的快速发展,人们对新兴限制能源预算电子设备的需求迅速增加,如无线传感器网络、能量获取系统和电池供电移动设备。随着工艺特征尺寸的不断减小以及低压低功耗技术的持续发展,传统的模数转换器已经无法满足上述的应用需求。特别是当ADC作为模拟前端电路的必要模块时,对其功耗和频率提出了更高的要求。相对于过采样模数转换器(Delta-Sigma ADC)或流水线模数转换器(Pipeline ADC)来说,逐次逼近模数转换器(SAR ADC)在功耗和面积上有着卓越的表现。但由于速度、精度、面积和功耗等参数在很大程度上往往受制于所采用的工艺,因此SAR ADC很难在上述参数中做出良好的折中。针对该问题,一种有效结合Pipeline ADC和SAR ADC的流水线逐次逼近模数转换器(Pipelined SAR ADC)被提出,从而在速度、精度和功耗上做到了很好的折中。本文首先简单介绍了SAR ADC的基本工作原理,详细阐述了电容阵列的开关时序及电容失配效应对电路的影响,然后分析了适合低速低功耗应用的关键电路。在此基础上介绍了中高速低功耗Pipelined SAR ADC系统结构、工作原理及其关键电路模块,讨论了包括电容失配、比较器输入失调等非理想因素的影响。本文基于理论分析结果,详细研究了几种超低功耗的电容开关时序,采用SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了两种不同采样速率的超低功耗模数转换器。1、提出了一种低速超低功耗SAR ADC,工作电压低至0.3V,设计精度为8bit,采样频率为10kS/s。该款ADC采用一种超低功耗、改进型Sub-merging电容阵列结构,与传统开关时序结构相比,使电容减小了75%,功耗降低了98.4%。同时,分析了非理想因素对ADC的影响,以及低压自举开关、低压两级动态比较器、低漏电的SAR控制逻辑等关键电路模块。测试结果表明,在0.3V电源电压以及奈奎斯特输入的情况下,该SAR ADC的有效位数达到7.21bit,优良指数为8.9 fJ/conversion-step。芯片核有效面积0.084 mm~2,功率仅为13.17nW。2、提出了一种中高速低功耗Pipelined SAR ADC。工作电压为1.8V,设计精度为12bit,采样频率为50MS/s。该款ADC采用了6+7的两级架构模式,以及辅助型SAR MADC结构。论文详细分析了具体电路结构及工作原理,包括运放的选择、Sub ADC中比较器的设计、电容阵列开关时序、自举开关等。该Pipelined SAR ADC通过与辅助型SAR MDAC的有机结合,实现了一种新型的高速、高精度、低功耗ADC设计方法。测试结果表明:在电压摆幅为1.8V,采样速率为50MS/s的情况下,信号噪声谐波失真比(SNDR)为67.01dB,无杂散动态范围(SFDR)为77.13dB,微分非线性(DNL)为0.536/-0.676LSB,积分非线性(INL)为0.959/-1.025LSB。该款ADC的核有效面积约为0.315 mm~2,且仅消耗10.08mW功率。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792;TN386
【图文】：

. Lee 等人在 2012 年首次提出了一款 2 级的 Pipelined SAR ADC，采样率达s[30]。在 2017 年的时候，德州大学达拉斯分校 H. Huang, H. Xu 等推出了一款m CMOS 工艺的 330MS/s Pipelined SARADC[31],功耗仅有 6.23mW。图1.3 1997-2017 年 ADC 性能发展图

若相邻 DAC 之间的电压误差的取值之差用 DNL 表示，则有以下公式： _ _ _1DAC error DAC error DAC errorDNL y V y V y V y (中，y/2N=Vin/Vref，LSB=Vref/2N。VDAC_error等于 Vref，与理想值相等，因此此时的 INL 应为最小值。当 Sn= V其中 VFS为 ADC 的满摆幅量化电压）时，INL 和 DNL 为最大值。 11 1 1, ,max0 0(2 ) (2 1)2 2NiN N N iDAC error DAC error ref refN NDNL y V V V VC C (那么 DNL 方差为：211 2 1 2 22 1 0 2 0 2 02,max2 2 2 2 20 0 02 (2 1)( ) 22 2 2NN nN NnNDNL ref ref refN N NuE E V V V LSBC C C C (1max ,(2 )NDAC errorINL V (2可以得到：12 22 0 2 1 02,max2 2 20 02( ) 22NNINL refNE V LSBC C (2

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本文编号：2717445