【摘要】：近年來,集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,越來越多的功能模塊被集成在一塊芯片上,比如紅外熱成像傳感器芯片,便集紅外線感知、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理于一體。其中實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC),負責(zé)將反映紅外線信息的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。對于研發(fā)紅外熱成像傳感器芯片的團隊,能夠獨立研發(fā)出一款高速高精度的ADC,集成到自己所研發(fā)的芯片中,對產(chǎn)品的應(yīng)用前景和團隊的未來都有深遠的意義。所以本文對ADC進行了深入的研究與實踐:(1)在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上,總結(jié)了4種常用結(jié)構(gòu)ADC的工作原理和應(yīng)用特點。其中逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC因具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、模擬電路少且易于集成等優(yōu)點而作為本文研究的重點。(2)對于逐次逼近型ADC,按照組成其DAC的結(jié)構(gòu)不同,分析了電阻分壓式結(jié)構(gòu)、電流疊加式結(jié)構(gòu)和電荷重分配結(jié)構(gòu);闡述了相關(guān)的電容開關(guān)時序,如傳統(tǒng)電容開關(guān)時序、單調(diào)電容開關(guān)時序、節(jié)能電容開關(guān)時序和VCM-base電容開關(guān)時序。(3)基于產(chǎn)品對ADC高速高精度的設(shè)計需求,采用“輸出失調(diào)存儲”技術(shù),設(shè)計了CMOS兩級預(yù)放大鎖存比較器,由兩級預(yù)放大器和一級動態(tài)鎖存器構(gòu)成。Cadence的仿真結(jié)果表明,第一級預(yù)放大器的增益為34.05 dB,-3 dB帶寬為88.5 MHz,第二級預(yù)放大器的增益為31.04dB,-3 dB帶寬為46.6 MHz,滿足設(shè)計需求。(4)設(shè)計了電平轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)字電路和模擬電路之間的電平轉(zhuǎn)換;采用“斬波調(diào)制技術(shù)”設(shè)計了帶隙基準(zhǔn)電路,為ADC提供基準(zhǔn)電壓;設(shè)計了振蕩器電路,其輸出的一定頻率(500KHz)的周期信號作為斬波調(diào)制電路的時鐘驅(qū)動。(5)基于SMIC 0.18 μm 1P6M 5 V CMOS工藝,設(shè)計了 16位5 V 1 MS/s的SARADC。仿真結(jié)果顯示,在奈奎斯特輸入條件下,本設(shè)計中的ADC有效位數(shù)達到了 15.89位,SNR(Signal to Noise Ratio)為93.99 dB,SFNR(Spurious Free Dynamic Range)為103.95 dB。
【圖文】：

２邋ＡＤＣ概述逡逑本章作為理論支持章節(jié)，首先介紹了關(guān)于ＡＤＣ的一些基本知識，包括常用逡逑ＡＤＣ的結(jié)構(gòu)及其工作原理、主要性能指標(biāo)、著重闡述了逐次逼近型ＡＤＣ的工作逡逑原理。逡逑２．１常用ＡＤＣ結(jié)構(gòu)及工作原理逡逑常用的ＡＤＣ架構(gòu)主要有：閃存型（Ｆｌａｓｈ）邋ＡＤＣ、過采樣型（Ｄｅｌｔａ－Ｓｉｇｍａ，Ｓ－逡逑Ａ）ＡＤＣ，流水線型（Ｐｉｐｅｌｉｎｅ）邋ＡＤＣ，逐次逼近型（Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ邋Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ邋Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，逡逑ＳＡＲ）邋ＡＤＣ。逡逑２．１．１閃存型ＡＤＣ逡逑邐逡逑

閃存型ＡＤＣ也稱為并行ＡＤＣ［２５】，其工作原理如圖２－１所示。它通過一系列逡逑的電阻值，通過電阻分壓原理獲得相應(yīng)位的參考電壓，同時一系列比較器的正負輸逡逑入端分別連接到這些參考電壓和采樣保持電路的輸出端。當(dāng)ＡＤＣ開始正常工作時，逡逑比較器組開始比較參考電壓與采樣保持電路輸出模擬量的大小，然后輸出一系列逡逑的邏輯１和邏輯０，最后數(shù)字編碼電路通過對這些邏輯１和邏輯０編碼，輸出模擬逡逑量的數(shù)字碼。顯而易見，，閃存型ＡＤＣ在一個時鐘周期內(nèi)便能完成一次模擬信號到逡逑數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，因而在四種ＡＤＣ結(jié)構(gòu)中，具有最快的轉(zhuǎn)換速度。逡逑但是，對于一個ＡＭ立的閃存型ＡＤＣ，它需要２〃－１個比較器和２〃個電阻，可逡逑見隨著轉(zhuǎn)換位數(shù)的增加，其需要的電阻和比較器數(shù)量呈指數(shù)增長，導(dǎo)致芯片的功耗逡逑和面積快速增加，所以在高速低精度場合，該ＡＤＣ具有很廣泛的應(yīng)用。逡逑２．１．２過采樣型ＡＤＣ逡逑過采樣型ＡＤＣｉ２６，２７］由過采樣調(diào)制器和數(shù)字濾波器兩個主要模塊組成，其工作逡逑原理如圖２－２所示。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN792

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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3 李鵬;劉力源;李冬梅;;一種高速高精度比較器的設(shè)計[J];半導(dǎo)體技術(shù);2010年10期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 王浩;低功耗電荷重分配式CMOS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器研究[D];西安電子科技大學(xué);2016年

2 梁宇華;低功耗逐次逼近型CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究[D];西安電子科技大學(xué);2015年

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1 宋孝立;16位1MS/s CMOS SAR A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計及校準(zhǔn)技術(shù)[D];西安電子科技大學(xué);2014年

2 肖余;納米級低功耗SAR A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

本文編號：2623479