【摘 要】
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逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）与其他类型的模数转换器相比,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广泛的应用。但是,传统的电荷重分配型SAR ADC具有硬件消耗多、转换过程中能量效率低等问题,因此,降低SAR ADC的硬件消耗和提高其转换能效一直是重点研究课题。本文对传统SAR ADC的工作原理、硬件消耗和转换过程中的能量效率进行分析,研究
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逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）与其他类型的模数转换器相比,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广泛的应用。但是,传统的电荷重分配型SAR ADC具有硬件消耗多、转换过程中能量效率低等问题,因此,降低SAR ADC的硬件消耗和提高其转换能效一直是重点研究课题。本文对传统SAR ADC的工作原理、硬件消耗和转换过程中的能量效率进行分析,研究了一种电容开关切换策略,降低了传统SAR ADC硬件消耗,提高了SAR ADC转换过程中的能量效率。基于该切换策略,本文设计了一款12位、5MS/s采样率的异步SAR ADC,区别于传统SAR ADC,该设计具有如下特点:1.采用顶板采样技术,在采样过程中将权重电容分裂,一半权重电容的底板接正基准电压,另一半权重电容的底板接负基准电压。因此,在采样过程中权重电容的底板等效于接入共模电平(Vcm(电源电压(VDD的一半),省去了(Vcm产生和缓冲电路,降低了电路的硬件消耗。2.本文设计的SAR ADC在采样结束后直接进行一次比较,得到最高有效位的数字输出,取代了传统SAR ADC采样完成后的置位操作,只需要11位的电容DAC即可实现12位精度的SAR ADC。由于SAR ADC的总体电容消耗与ADC的位数呈指数关系,对于高精度的SAR ADC,电容占用的芯片面积将显著增加,导致电路速度降低、功耗增加。因此,本文设计的12位SAR ADC采用了基于电荷重分配原理的6+5分段式电容阵列结构,相比于传统的6+6分段电容阵列的SAR ADC而言,本设计的电容消耗降低了25%,进一步降低了电路的硬件消耗。3.在转换过程中,本文设计的SAR ADC只对当前权重位电容进行充放电操作,不需要对之前权重位电容进行充放电操作,提高了转换过程中的能量效率。4.在SMIC 110nm工艺下进行电路和版图设计,核心版图尺寸为487μm×173μm。后仿结果表明,在1.2V电源电压、5MS/s采样率下,近奈奎斯特频率输入时,有效位数（ENOB）为11.48bit,无杂散动态范围（SFDR）为71.48d B,信噪比（SNR）为71.29d B,达到了预期设计指标。
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