基于65nm CMOS工艺高速低功耗SAR ADC的研究与设计

发布时间：2017-10-03 21:20

  本文关键词：基于65nm CMOS工艺高速低功耗SAR ADC的研究与设计

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【摘要】：模数转换器(ADC)作为模拟信号与数字信号之间的桥梁,在数字化程度不断加深的现代电子系统中至关重要,已成当代电子信息技术不可或缺的部分。随着无线传感网络、便携式消费电子产品、可穿戴医疗监控设备等低功耗电子系统的快速发展,具有高集成度的高速低功耗ADC市场需求不断增加。面对市场的巨大需求,ADC逐渐采用更加先进的制造工艺,已从亚微米级的0.35μm-0.18μm工艺转向纳米级的90nm-32nm工艺。纳米级工艺制约了传统模拟电路系统的性能,从而改变了ADC的研究思路和发展趋势。目前,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)因其结构简单、面积小、数字化程度高等特点,已成为了纳米级工艺下ADC的主要研究方向,具有重要的研究价值和巨大的市场潜力。因此,基于65nm CMOS工艺,研究和设计高速低功耗SAR ADC具有重要意义。本文首先分析了SAR ADC在高速、低功耗方向的发展现状,明确了论文的研究目标和研究内容,并制定了具体设计指标。然后,介绍了SAR ADC的工作方式和基本结构;分析了电容转换能耗和匹配性,研究了高能效电容转换方案;讨论了动态比较器的失调、噪声和亚稳态误差对SAR ADC性能的影响;并结合SAR ADC工作方式研究了SAR ADC的逻辑实现技术。在以上研究的基础上,基于1.2V 65nm CMOS工艺,完成了10位80MSPS异步SAR ADC的电路设计工作:在分析高速低功耗SAR ADC面临的技术瓶颈的基础上,提出了一种新型高能效电容转换方案,减少了电容状态的改变次数、比较器工作次数和数字电路翻转次数,降低了SAR ADC整体功耗;并采用二进制校正技术解决了电荷再分配式数模转换器(C_DAC)短时间内建立不稳定的技术难题,提高了SAR ADC速度。之后,设计了SAR ADC各子模块电路;即采用栅压自举技术,设计了一种高线性度的栅压自举开关;通过延长放大阶段时间,在不增加功耗的情况下,减小了动态比较器的输入等效噪声;提出了带绕过机制的异步SAR逻辑和电容状态控制逻辑,控制各子模块电路实现了模数转换功能;通过简化二进制校正技术的纠错算法,设计了一种结构简单的带溢出校正功能的数字纠错电路(DEC),完成了二进制编码输出的功能。完成电路设计工作后,使用Cadence Virtuso软件设计了SAR ADC版图并完成后仿真验证。在电源电压为1.2V,转换速率为80 MSPS时,无杂散动态范围SFDR达到72.5dB,信噪比SINAD达到59.67dB,整体功耗仅为0.87mW,优值FOM为13.8 fJ/conv.step。后仿真结果表明:本文设计的SAR ADC在较高的转换速率下,具有高无杂散动态范围、高信噪比和低功耗的特性,达到论文设计指标;其中,SAR ADC的优值FOM已达到国内领先水平。
【关键词】：逐次逼近型ADC 低功耗 异步逻辑 二进制校正 高速
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN792
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 研究背景10
• 1.2 国内外发展现状10-12
• 1.2.1 高速技术10-11
• 1.2.2 低功耗技术11-12
• 1.2.3 SAR ADC产品12
• 1.3 研究目标12-13
• 1.4 论文架构13-16
• 2 ADC基本理论16-24
• 2.1 ADC性能参数17-20
• 2.1.1 静态性能参数17-19
• 2.1.2 动态性能参数19-20
• 2.2 SAR ADC20-22
• 2.2.1 二分搜索算法SAR ADC工作方式20-21
• 2.2.2 传统电荷再分配式SAR ADC结构21-22
• 2.3 小结22-24
• 3 SAR ADC关键技术分析与研究24-44
• 3.1 电容转换能耗及匹配性分析24-27
• 3.2 高能效电容转换方案介绍与分析27-35
• 3.2.1 单调转换方案27-30
• 3.2.2 拆分单调转换方案30-32
• 3.2.3 Vcm-based转换方案32-35
• 3.3 动态比较器介绍与分析35-40
• 3.3.1 动态比较器基本类型36-37
• 3.3.2 动态比较器失调与噪声37-39
• 3.3.3 动态比较器亚稳态误差39-40
• 3.4 逻辑实现技术40-42
• 3.4.1 同步SAR逻辑40-41
• 3.4.2 异步SAR逻辑41-42
• 3.5 小结42-44
• 4 10位80MSPS异步SAR ADC电路设计44-74
• 4.1 二进制校正技术44-48
• 4.1.1 二进制校正技术基本原理44-45
• 4.1.2 容错能力与C_DAC建立稳定性的讨论45-48
• 4.2 新型高能效电容转换方案48-53
• 4.2.1 绕过技术原理48-49
• 4.2.2 电容转换方式49-51
• 4.2.3 能耗与线性度分析51-53
• 4.3 10位SAR ADC结构53-55
• 4.4 单位电容确定及匹配性验证55-56
• 4.5 自举开关56-60
• 4.5.1 MOS采样开关及非理想效应56-57
• 4.5.2 自举开关电路57-60
• 4.6 低噪声动态比较器60-63
• 4.7 异步SAR控制逻辑以及电容状态控制逻辑63-68
• 4.7.1 带绕过机制的异步SAR逻辑63-66
• 4.7.2 电容状态控制逻辑66-68
• 4.8 数字纠错电路68-71
• 4.9 SAR ADC前仿真71-72
• 4.10 小结72-74
• 5 版图设计及系统后仿真验证74-82
• 5.1 SAR ADC版图设计74-76
• 5.1.1 整体版图布局74-75
• 5.1.2 关键模块版图设计75-76
• 5.2 SAR ADC后仿真76-82
• 6 总结与展望82-84
• 6.1 工作总结82-83
• 6.2 未来展望83-84
• 致谢84-86
• 参考文献86-90
• 附录90-93
• A.攻读硕士学位期间发表的论文目录90
• B.攻读硕士学位期间参加的科研项目90-93

【参考文献】

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本文编号：966801