极低功耗SAR ADC的设计与研究

发布时间：2020-09-04 07:21

　　 目前,模数转换器(ADC)被广泛应用于无线传感网络,便携式设备以及可穿戴式设备。特别是,可植入式医疗设备当中的电池容量相对较小,对低功耗ADC的需求更加迫切。逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)具有结构简单、面积小、无静态功耗的特点,所以成为低功耗ADC的首选。电容阵列电荷的重分配过程在SARADC的当中占重要的功耗比重,因此,通过改进结构和算法去降低电容阵列的转换能耗是降低整体SARADC的重要途径。本文对应用于植入式医疗仪器的低功耗SAR ADC进行研究,主要包括以下内容:(1)利用matlab对SARADC电容阵列的功耗行为进行建模,考察电容阵列的功耗,在此基础上提出一种新的算法,经过分析得到这一转换算法相对于传统的SAR ADC电容电容的功耗降低了99.2%。(2)考察在该电容阵列转换方案在电容不匹配的情况下的线性度,分析每一个电容服从特定正态分布时的matlab非线性模型,在2000次monte carlo分析下具有良好的INL和DNL的标准差。(3)设计了一种低功耗动态比较器,这是一种一级的锁存比较器,通过改进结构和调整管子参数可以降低回馈噪声和失调电压。(4)针对所提出的转换方案,设计相应的数字控制电路,包括时序发生电路,寄存器电路和译码电路,利用C2MOS触发器作为基本的寄存单元。以上的电路基于SMIC 40nm的工艺设计,在Cadence Spectre上完成原理图设计,在1.1V的电源电压条件下,所设计的电路在909.09KS/s采样率下整体功耗870nW,SFDR为70.5dB,SNDR为60.3dB,ENOB达到9.83,FOM值已经降到1.07fJ/conversion-step以下,测得电路DNL的范围为-0.32-0.32LSB,INL的范围为-0.34～0.34LSB,整体的仿真结果显示了所设计的SAR ADC具有良好的性能。
【学位单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN792
【部分图文】：

图２－１实际曲线所带来的ＤＮＬ和ＩＮＬ示怠图逡逑也说数之压差１／８Ｖ，上

耍包括采样开关、ＤＡＣ＇ｉｌｌ容阵列、比较器、移位寄存器逻辑阵列、数值控制逻逡逑辑以及它们所控制的开关。整个ＳＡＲＡＤＣ的工作过程分为复位阶段、采样阶段、逡逑正式转换阶段｜６１。图２－３当中列出的８邋ｂｉｔ邋ＳＡＲ邋ＡＤＣ结构只是为了解释ＳＡＲ邋ＡＤＣ逡逑基本原理而列出的结构。逡逑７逡逑

第二章ＳＡＲ邋ＡＤＣ的概述逡逑２．２．１邋ＳＡＲ邋ＡＤＣ电容阵列逡逑电路的结构的核心是ＤＡＣ电容阵列，如图２－３所示的电容阵列的电容值从逡逑小到大依次增大２两倍，最低两位电容的电容值是单位电容值。输入信号Ｖｉｐ和逡逑Ｖｉｎ通过采样开关采样到电容阵列的上极板（接入到比较输入端的极板），在正逡逑式的转换阶段当中，我们保持上极板电荷不变，通过改变下极板的电平使得上极逡逑板发生相应变化。由于比较器的输入端的ＭＯＳ管的栅极，输入电阻极大，可以逡逑认为没有电流通路可以从比较器的输入对管的栅极流入，而采样结束后采样开关逡逑断开，同样也没有可以流通的电路通路。电容阵列的上极板接入到比较器的输入逡逑端，采样阶段结束之上极板后便没有电荷可以流走的通路，所以上极板电荷保持逡逑不变。例如

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本文编号：2812038