一种低功耗SAR ADC设计及开关切换方案研究

发布时间：2020-08-22 10:56

【摘要】：CMOS工艺尺寸的缩小推动了集成电路产业的飞速发展。目前,集成电路产品已广泛应用于生活中的各个领域,而作为集成电路系统中最重要的元器件:模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC),它实现了自然界中原始模拟信号到数字信号的转换,具有不可替代的作用。在不同类型的ADC中,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)凭借其结构简单、功耗低、面积小且与先进CMOS工艺兼容性好的独特优势,成为了中高精度和中等速度等应用中的首选结构,在工业控制、数据采集、医疗设备以及便携式电子设备等诸多领域中被广泛应用。本文基于130nmCMOS工艺,设计了一种12位精度,2MS/s转换速率的低功耗SAR ADC,其各子电路模块包括采样保持电路、比较器、电容DAC阵列以及逻辑控制电路。其中,采用栅压自举结构的采样开关,提高其线性度,减小了谐波失真;结合一种高能效开关切换DAC阵列,其减小了电容的面积的同时,也有效的降低了开关切换过程的动态功耗;比较器采用了两级结构的动态比较器,在时钟的控制下工作,不存在静态电流。本文采用了双电源供电技术,3.3V的模拟供电电压使得ADC对信号的处理范围增大,实现了较高的信噪比;1.2V的数字供电电压,降低了数字电路的动态功耗。在Cadence软件平台上,进行了整体电路设计,利用Spectre对电路进行仿真验证,最后,完成版图设计和后仿真。在2MHz的采样频率下,当输入信号频率为901.4kHz时,实现了 11.58位的有效精度,无杂散动态范围达到了 78dB,功耗小于350μW,品质因数为55fJ/conversion-step。此外,本文对电容开关切换策略进行了研究,提出了一种改进的高能效开关切换策略,相比传统结构,电容面积减小了 75%,切换功耗降低了 99.23%,这对低功耗SAR ADC的研究具有重要的意义。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792
【图文】：

中的重要组成部分，已经被广泛应用于移动通信、生物医学仪器和无线传感器网逡逑络中［２５］。模数转换器的基本功能是对连续变化的模拟信号进行采样，并将其转逡逑换成对应的数字输出码，模数转换器的典型结构框图如图２．１所示，主要由四个逡逑部分构成：前置滤波器、采样保持电路、量化器和编码器［２６］。逡逑模拟信号｜｜＿．￣￣逦ｆｔ￣７１逦｜教字｜数字输出逡逑ｔＴ逦处理器邋４逡逑前置滤波器逦采样／保持逦童化器逦编码器逡逑图２．１模数转换器基本框架图逡逑前置滤波器又称为抗混叠滤波器，一般是指低通滤波器，主要是为了滤除掉逡逑信号中的高频分量，避免采样后的信号在频谱上发生混叠。模拟输入信号经过前逡逑置滤波器后接到采样保持电路，采样过程是对在时间和幅值均连续的模拟信号进逡逑行周期性等间隔的取样，将其转换成在时间上离散、幅值上连续的信号。对模拟逡逑信号进行采样时，必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率至少要大于两倍的输逡逑入信号频率，这样原始信号中的信息才能被完整的保留下来［２７］。采样之后进入逡逑保持阶段，采样保持电路将采样的输入信号保持不变，并作为输入接到量化器，逡逑直到转换结束再进行下一次采样。量化过程是将模拟参考量均匀的分成

中的重要组成部分，已经被广泛应用于移动通信、生物医学仪器和无线传感器网逡逑络中［２５］。模数转换器的基本功能是对连续变化的模拟信号进行采样，并将其转逡逑换成对应的数字输出码，模数转换器的典型结构框图如图２．１所示，主要由四个逡逑部分构成：前置滤波器、采样保持电路、量化器和编码器［２６］。逡逑模拟信号｜｜＿．￣￣逦ｆｔ￣７１逦｜教字｜数字输出逡逑ｔＴ逦处理器邋４逡逑前置滤波器逦采样／保持逦童化器逦编码器逡逑图２．１模数转换器基本框架图逡逑前置滤波器又称为抗混叠滤波器，一般是指低通滤波器，主要是为了滤除掉逡逑信号中的高频分量，避免采样后的信号在频谱上发生混叠。模拟输入信号经过前逡逑置滤波器后接到采样保持电路，采样过程是对在时间和幅值均连续的模拟信号进逡逑行周期性等间隔的取样，将其转换成在时间上离散、幅值上连续的信号。对模拟逡逑信号进行采样时，必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率至少要大于两倍的输逡逑入信号频率，这样原始信号中的信息才能被完整的保留下来［２７］。采样之后进入逡逑保持阶段，采样保持电路将采样的输入信号保持不变，并作为输入接到量化器，逡逑直到转换结束再进行下一次采样。量化过程是将模拟参考量均匀的分成

图2.43位全并行ADC

【参考文献】

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相关博士学位论文 前3条

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本文编号：2800604