【摘要】：隨著集成電路設(shè)計邁向更小的CMOS工藝節(jié)點,功耗與面積減小的同時,電路工作速度也更快。但是由于器件增益以及電源電壓的減小使得電壓裕度及信號擺幅受限,模擬集成電路性能的提升受到極大約束,并且隨著工藝失配相對誤差的增大,模擬電路版圖設(shè)計變得更困難。相比之下,工藝節(jié)點減小對數(shù)字集成電路性能的提升影響較小,因為數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元在工藝波動下也能穩(wěn)定的工作,并且版圖通過自動布局布線生成,體現(xiàn)出更顯著的優(yōu)勢,這使得模擬電路的數(shù)字化漸漸成為研究熱點。本文研究的基于統(tǒng)計原理的隨機模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)為全數(shù)字化ADC提供了一種可行的方案。為了突破傳統(tǒng)ADC工作方式中的固有模擬特征,本文研究將信息載體從電壓幅度轉(zhuǎn)換到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)計原理量化方法。與傳統(tǒng)模擬電路不同,本電路因符合統(tǒng)計規(guī)律,反而受益于小工藝尺寸下日益嚴(yán)重的失配、失調(diào)問題。本設(shè)計采用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)建核心電路,徹底代替模擬放大器和片上無源器件,因此兼容數(shù)字流程,具有設(shè)計周期短,可移植性強的優(yōu)點。本文基于數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元完成了ADC電路中全數(shù)字比較器以及參考電壓產(chǎn)生器等核心電路設(shè)計,并使用最小尺寸交叉耦合NAND構(gòu)建的數(shù)字比較器陣列、數(shù)字碼控制的參考電壓產(chǎn)生器、快速編碼電路和反高斯累積分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)校準(zhǔn)電路組成一個隨機模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。在詳細對比分析多種數(shù)字比較器的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計電路結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換通道工作范圍的擴展;提出一種可以快速處理大量一位數(shù)據(jù)的華萊士樹流水線加法器(Wallace Tree Pipeline Adder,WTPA),依照指標(biāo)可以選擇插入三級、五級、七級流水線,相比傳統(tǒng)樹形加法器提高了運算速度,減小了功耗與面積;設(shè)計基于查找表的反高斯CDF校準(zhǔn)模塊,可用于校準(zhǔn)通道傳輸函數(shù)線性度,使通道輸出的信噪失真比提升5.33dB;提出使用多通道結(jié)構(gòu),計算最優(yōu)通道間距,并建立Simulink系統(tǒng)級模型研究通道特性,仿真多通道結(jié)構(gòu)的隨機ADC,驗證了多通道結(jié)構(gòu)可以擴展輸入信號范圍,并提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度與線性度;完成了隨機ADC依照數(shù)字流程的自動布局布線與版圖設(shè)計。本文研究基于統(tǒng)計原理的新型可綜合隨機ADC架構(gòu)工作原理,基于SMIC 180nm工藝設(shè)計了一種全數(shù)字ADC,對Simulink系統(tǒng)級模型仿真的結(jié)果顯示,八通道隨機ADC可達到有效位數(shù)4.87位,信噪比32.56dB。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN792
【圖文】：

隨機參考電壓 CDF 曲線，比較器陣列輸出之和等結(jié)果，直觀展現(xiàn)隨機 ADC的統(tǒng)計量化原理。圖3.8 隨機 ADC 的 Matlab 函數(shù)模型仿真設(shè)置一組基本參數(shù) miu=0，sigma=1，num=1024，代表隨機 ADC 原理函數(shù)模型中的樣本值為 1024 個，且樣本服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，輸入信號 vin 的掃描范圍定為-4到 4，對模型進行仿真，得到的結(jié)果如圖 3.8 中的各圖所示，vref 在均值 0 附近波動，其統(tǒng)計直方圖輪廓

(a) 五通道 Matlab 函數(shù)模型仿真(b) 九通道 Matlab 函數(shù)模型仿真圖3.9 五通道與九通道的 Matlab 函數(shù)模型仿真首先掃描通道個數(shù) num，即在同樣的 miu 數(shù)值范圍 0.4 到 1.2 之間，第一次均勻設(shè)置 5 個 miu 值，且單組通道 num=1024，第二次均勻設(shè)置 9 個 miu 值，且單組通道num=512，得到的圖線如圖 3.9 所示。結(jié)合圖(a)(b)中的隨機參考電壓分布直方圖與隨機參考電壓 PDF 曲線，根據(jù)參數(shù)設(shè)置的條件可知，5 個 miu 值比較器的總數(shù)大于 9個 miu 值比較器的總數(shù)

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 戴惠明;陳群超;陳金伙;;基于Latch的CMOS動態(tài)比較器的研究[J];中國集成電路;2011年05期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王偉;分辨率可配置型高速SAR ADC的研究與設(shè)計[D];電子科技大學(xué);2016年

本文編號：2712853