【摘 要】
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随着芯片产业的集成化日渐成熟,片上系统(SOC),可植入式等智能产品越发得到了广泛应用,这其中需要有实现数字信号和模拟信号相互转化的通道,而模数转化器(ADC)在将模拟连续信号转化为可操作的数字信号的过程中起到至关重要的作用。与其他类型的模数转化器相比,逐次逼近型模数转化器(SAR ADC)具有功耗低、精度高、结构简单的特性,在传感器网络、生物医疗、视频处理以及无线通信等领域都有着广泛的应用。所以
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随着芯片产业的集成化日渐成熟,片上系统(SOC),可植入式等智能产品越发得到了广泛应用,这其中需要有实现数字信号和模拟信号相互转化的通道,而模数转化器(ADC)在将模拟连续信号转化为可操作的数字信号的过程中起到至关重要的作用。与其他类型的模数转化器相比,逐次逼近型模数转化器(SAR ADC)具有功耗低、精度高、结构简单的特性,在传感器网络、生物医疗、视频处理以及无线通信等领域都有着广泛的应用。所以,高性能的SAR ADC一直是集成电路行业研究的重点课题。本文旨在设计一款中等采样率的12位八通道SAR ADC。论文首先论述了ADC的几种基本结构,接着设计了几个重点模块的电路结构,最后进行了电路仿真与版图绘制。第一,针对比较器的两个关键点速度精度,采用三级级联预放大器加锁存器的结构提高比较器的速度,并且利用输出失调校准技术来保证整个比较器的精度。第二,对于数模转化器模块(DAC)设计,采用在高八位和低四位电容阵列之间加入积分传输函数的方式构造分段电容,减少了芯片面积降低了功耗,同时降低了单位电容大小,减少了电容之间的失配,提高了做版图时的电容匹配性;同时,利用添加额外单位电容等效低四位电容的方式,减少了对开关的使用节约了面积。第三,对于采样电路,采取传输门加伪开关的结构吸收多余电荷,减少了非理想因素对采样电压值的干扰。第四,在对数字时序控制逻辑的设计上,运用同步时序逻辑,以电平触发器为基础构造逐次逼近逻辑电路来控制DAC转化开关,减少了功耗损失。第五,在内置基准源的设计上,采用与绝对温度成正比(PTAT)结构进行一阶温度补偿得到稳定的基准电压,通过与绝对温度成反比(CTAT)结构构造零偏的基准电流源得到基准电流,提供给偏置模块产生偏置电流。采用5V电压进行供电,对电路进行前仿真,结果表明,在2Msps采样率下,当输入154.785KHz正弦波时,有效位数(ENOB)为11.96位,信噪比(SNR)为73.8dB,功耗为3.685mW。文章基于0.6μm CMOS工艺进行版图设计,并进行了输入端口的静电放电(ESD)电路保护。后仿实验结果显示,有效位数为11.27位,信噪比为69.6dB,积分非线性(INL)大小为0.334/-0.357,微分非线性(DNL)为0.138/-0.269,功耗为3.74mW,FOM的值为757fJ conversion-step,仿真结果表明设计的ADC性能良好,满足了设计的要求指标。
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