本文關(guān)鍵詞：基于65nm CMOS工藝高速低功耗SAR ADC的研究與設(shè)計

  更多相關(guān)文章： 逐次逼近型ADC 低功耗 異步邏輯 二進(jìn)制校正 高速

【摘要】：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為模擬信號與數(shù)字信號之間的橋梁,在數(shù)字化程度不斷加深的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中至關(guān)重要,已成當(dāng)代電子信息技術(shù)不可或缺的部分。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、便攜式消費電子產(chǎn)品、可穿戴醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等低功耗電子系統(tǒng)的快速發(fā)展,具有高集成度的高速低功耗ADC市場需求不斷增加。面對市場的巨大需求,ADC逐漸采用更加先進(jìn)的制造工藝,已從亞微米級的0.35μm-0.18μm工藝轉(zhuǎn)向納米級的90nm-32nm工藝。納米級工藝制約了傳統(tǒng)模擬電路系統(tǒng)的性能,從而改變了ADC的研究思路和發(fā)展趨勢。目前,逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)因其結(jié)構(gòu)簡單、面積小、數(shù)字化程度高等特點,已成為了納米級工藝下ADC的主要研究方向,具有重要的研究價值和巨大的市場潛力。因此,基于65nm CMOS工藝,研究和設(shè)計高速低功耗SAR ADC具有重要意義。本文首先分析了SAR ADC在高速、低功耗方向的發(fā)展現(xiàn)狀,明確了論文的研究目標(biāo)和研究內(nèi)容,并制定了具體設(shè)計指標(biāo)。然后,介紹了SAR ADC的工作方式和基本結(jié)構(gòu);分析了電容轉(zhuǎn)換能耗和匹配性,研究了高能效電容轉(zhuǎn)換方案;討論了動態(tài)比較器的失調(diào)、噪聲和亞穩(wěn)態(tài)誤差對SAR ADC性能的影響;并結(jié)合SAR ADC工作方式研究了SAR ADC的邏輯實現(xiàn)技術(shù)。在以上研究的基礎(chǔ)上,基于1.2V 65nm CMOS工藝,完成了10位80MSPS異步SAR ADC的電路設(shè)計工作:在分析高速低功耗SAR ADC面臨的技術(shù)瓶頸的基礎(chǔ)上,提出了一種新型高能效電容轉(zhuǎn)換方案,減少了電容狀態(tài)的改變次數(shù)、比較器工作次數(shù)和數(shù)字電路翻轉(zhuǎn)次數(shù),降低了SAR ADC整體功耗;并采用二進(jìn)制校正技術(shù)解決了電荷再分配式數(shù)模轉(zhuǎn)換器(C_DAC)短時間內(nèi)建立不穩(wěn)定的技術(shù)難題,提高了SAR ADC速度。之后,設(shè)計了SAR ADC各子模塊電路;即采用柵壓自舉技術(shù),設(shè)計了一種高線性度的柵壓自舉開關(guān);通過延長放大階段時間,在不增加功耗的情況下,減小了動態(tài)比較器的輸入等效噪聲;提出了帶繞過機制的異步SAR邏輯和電容狀態(tài)控制邏輯,控制各子模塊電路實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能;通過簡化二進(jìn)制校正技術(shù)的糾錯算法,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的帶溢出校正功能的數(shù)字糾錯電路(DEC),完成了二進(jìn)制編碼輸出的功能。完成電路設(shè)計工作后,使用Cadence Virtuso軟件設(shè)計了SAR ADC版圖并完成后仿真驗證。在電源電壓為1.2V,轉(zhuǎn)換速率為80 MSPS時,無雜散動態(tài)范圍SFDR達(dá)到72.5dB,信噪比SINAD達(dá)到59.67dB,整體功耗僅為0.87mW,優(yōu)值FOM為13.8 fJ/conv.step。后仿真結(jié)果表明:本文設(shè)計的SAR ADC在較高的轉(zhuǎn)換速率下,具有高無雜散動態(tài)范圍、高信噪比和低功耗的特性,達(dá)到論文設(shè)計指標(biāo);其中,SAR ADC的優(yōu)值FOM已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
【關(guān)鍵詞】：逐次逼近型ADC 低功耗 異步邏輯 二進(jìn)制校正 高速
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN792
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 研究背景10
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 高速技術(shù)10-11
• 1.2.2 低功耗技術(shù)11-12
• 1.2.3 SAR ADC產(chǎn)品12
• 1.3 研究目標(biāo)12-13
• 1.4 論文架構(gòu)13-16
• 2 ADC基本理論16-24
• 2.1 ADC性能參數(shù)17-20
• 2.1.1 靜態(tài)性能參數(shù)17-19
• 2.1.2 動態(tài)性能參數(shù)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 傳統(tǒng)電荷再分配式SAR ADC結(jié)構(gòu)21-22
• 2.3 小結(jié)22-24
• 3 SAR ADC關(guān)鍵技術(shù)分析與研究24-44
• 3.1 電容轉(zhuǎn)換能耗及匹配性分析24-27
• 3.2 高能效電容轉(zhuǎn)換方案介紹與分析27-35
• 3.2.1 單調(diào)轉(zhuǎn)換方案27-30
• 3.2.2 拆分單調(diào)轉(zhuǎn)換方案30-32
• 3.2.3 Vcm-based轉(zhuǎn)換方案32-35
• 3.3 動態(tài)比較器介紹與分析35-40
• 3.3.1 動態(tài)比較器基本類型36-37
• 3.3.2 動態(tài)比較器失調(diào)與噪聲37-39
• 3.3.3 動態(tài)比較器亞穩(wěn)態(tài)誤差39-40
• 3.4 邏輯實現(xiàn)技術(shù)40-42
• 3.4.1 同步SAR邏輯40-41
• 3.4.2 異步SAR邏輯41-42
• 3.5 小結(jié)42-44
• 4 10位80MSPS異步SAR ADC電路設(shè)計44-74
• 4.1 二進(jìn)制校正技術(shù)44-48
• 4.1.1 二進(jìn)制校正技術(shù)基本原理44-45
• 4.1.2 容錯能力與C_DAC建立穩(wěn)定性的討論45-48
• 4.2 新型高能效電容轉(zhuǎn)換方案48-53
• 4.2.1 繞過技術(shù)原理48-49
• 4.2.2 電容轉(zhuǎn)換方式49-51
• 4.2.3 能耗與線性度分析51-53
• 4.3 10位SAR ADC結(jié)構(gòu)53-55
• 4.4 單位電容確定及匹配性驗證55-56
• 4.5 自舉開關(guān)56-60
• 4.5.1 MOS采樣開關(guān)及非理想效應(yīng)56-57
• 4.5.2 自舉開關(guān)電路57-60
• 4.6 低噪聲動態(tài)比較器60-63
• 4.7 異步SAR控制邏輯以及電容狀態(tài)控制邏輯63-68
• 4.7.1 帶繞過機制的異步SAR邏輯63-66
• 4.7.2 電容狀態(tài)控制邏輯66-68
• 4.8 數(shù)字糾錯電路68-71
• 4.9 SAR ADC前仿真71-72
• 4.10 小結(jié)72-74
• 5 版圖設(shè)計及系統(tǒng)后仿真驗證74-82
• 5.1 SAR ADC版圖設(shè)計74-76
• 5.1.1 整體版圖布局74-75
• 5.1.2 關(guān)鍵模塊版圖設(shè)計75-76
• 5.2 SAR ADC后仿真76-82
• 6 總結(jié)與展望82-84
• 6.1 工作總結(jié)82-83
• 6.2 未來展望83-84
• 致謝84-86
• 參考文獻(xiàn)86-90
• 附錄90-93
• A.攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄90
• B.攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項目90-93

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：966801