高速逐次逼近型模数转换器研究与设计

发布时间：2017-06-13 10:07

  本文关键词：高速逐次逼近型模数转换器研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感网络无论在军事还是民用领域,都得到了越来越广泛的应用。模数转换器(ADC)作为无线传感网络的重要组成部分,其发展对无线传感网络的应用有着重要意义。逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的功耗极低,面积较小,可以实现较高的分辨率,成了无线传感网络领域ADC的最佳选择,同时在便携式仪表、工业自动控制等领域也有着广泛应用。随着传感网对大数据量音、视频等多媒体信息流需求的不断增长,无线传感网络对于传输速率的要求大大提高,所以设计与之适应的高速SAR ADC有着很大的意义。本课题基于中高速无线传感网络应用背景,采用TSMC-0.18um CMOS工艺设计了一款50MS/s、12bit的低功耗ADC。论文研究了SAR ADC常见结构,确定采用改进型分段电容全差分SAR结构：采用线性度高的栅压自举开关结构,提高了ADC精度；采用改进型分段电容结构DAC电容阵列,减少了总电容值,缩小了芯片面积,降低成本,同时提高电容匹配度,降低了功耗和提高了精度；采用高速动态比较器结构,在满足高速比较的前提下,降低了电路功耗；改进传统SAR控制逻辑同步时序电路,有效利用了空闲等待时间,减小了延时,从而提高ADC的转换速度。在此基础上,完成了整个系统的原理图设计,电路前仿真结果表明：最高采样频率可达到79.4MS/s,有效位数ENOB为11.71bit,信号噪声失真SNDR为72.28dB,无杂散动态范围SFDR为81.37dB。本设计采用TSMC-0.18um CMOS工艺完成了高速SAR ADC的电路版图设计,版图大小为0.89mm×0.86mm,总面积是0.77mm2,经后仿真采样率可达到53.3MS/s。电路后仿真结果是：最高采样率可达到53.3MS/s,有效位数是10.55bit,信号噪声失真比是65.27dB,无杂散动态范围是74.1 dB,电源电压1.8V,电路功耗5.54mW。后仿真结果表明本设计完成的SAR ADC满足设计指标要求。
【关键词】：逐次逼近模数转换器 分段电容结构 全差分结构 改进同步时序
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN792
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-12
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.3 设计指标和论文内容组织结构10-12
• 第2章 ADC概述12-26
• 2.1 ADC工作原理12-14
• 2.1.1 采样保持12-13
• 2.1.2 幅度量化13-14
• 2.1.3 数据编码14
• 2.2 ADC性能参数14-19
• 2.2.1 基本特性参数15
• 2.2.2 静态性能参数15-17
• 2.2.3 动态性能参数17-19
• 2.3 常见ADC结构及特点19-24
• 2.3.1 全闪速模数转换器(Flash ADC)19-20
• 2.3.2 流水线模数转换器(Pipelined ADC)20-21
• 2.3.3 折叠插值模数转换器(F&I ADC)21-22
• 2.3.4 逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)22
• 2.3.5 Σ-△模数转换器(Σ-△ADC)22-23
• 2.3.6 常见结构ADC性能比较23-24
• 2.4 小结24-26
• 第3章 SAR ADC系统设计26-38
• 3.1 SAR ADC的工作原理26-27
• 3.2 SAR ADC的三种典型结构27-33
• 3.2.1 电阻型SAR ADC27-28
• 3.2.2 电流源型SAR ADC28
• 3.2.3 电容型SAR ADC28-33
• 3.3 分段电容结构SAR ADC33-36
• 3.4 小结36-38
• 第4章 SAR ADC电路研究与设计38-58
• 4.1 系统框图38-40
• 4.2 采样开关40-44
• 4.2.1 简单采样开关40-42
• 4.2.2 其他采样开关42
• 4.2.3 栅压自举开关电路42-44
• 4.3 DAC电路44-48
• 4.3.1 单位电容值的选取44-46
• 4.3.2 开关导通电阻R_(on)46-48
• 4.4 比较器48-52
• 4.4.1 比较器的设计48-49
• 4.4.2 比较器的失调49-51
• 4.4.3 比较器的噪声51-52
• 4.5 SAR控制逻辑单元52-56
• 4.5.1 D触发器设计52-53
• 4.5.2 锁存器设计53-54
• 4.5.3 SAR控制逻辑时序54-56
• 4.6 电路仿真56-57
• 4.7 小结57-58
• 第5章 版图设计与后仿真58-72
• 5.1 版图设计考虑58-62
• 5.1.1 版图基础58
• 5.1.2 匹配与数模混合版图设计58-60
• 5.1.3 天线效应与闩锁效应60-62
• 5.2 单元模块版图设计62-67
• 5.2.1 采样开关62-63
• 5.2.2 DAC电路63-65
• 5.2.3 比较器65-66
• 5.2.4 SAR控制逻辑单元66-67
• 5.3 系统电路版图67-68
• 5.4 版图仿真68-71
• 5.5 小结71-72
• 第6章 总结与展望72-74
• 6.1 总结72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-82
• 硕士阶段发表论文及科研成果82

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