一种带DEM的噪声整形SAR ADC芯片研究与设计

作     者：杨松 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段吉海

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：模数转换器 逐次逼近型 噪声整形 无源增益 动态元件匹配 

摘      要：数据转换器作为模拟世界与数字世界之间互相沟通的工具,在模拟信号与数字信号相互转换的过程中发挥着重要的作用。随着技术的不断迭代和市场需求的升级,设计人员对数据转换器各方面的性能提出了更高的要求。其中模数转换器(Analogto-Digital Converter,ADC)由于其结构相对复杂,成为了学术界和工业界研究的重点和难点。逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC结构较为简单、数字化程度高,所以SAR ADC有着低功耗、能适应先进工艺的优点。但是SAR ADC中DAC电容失配和比较器的噪声的问题却使得其分辨率一般在12-bit以下。Sigma-Delta ADC利用过采样和噪声整形技术从而实现很高的信噪比,但SigmaDelta ADC中使用的有源环路滤波器以及具有很高的过采样率使得其功耗较高而信号带宽较低。噪声整形SAR ADC作为近些年来新兴的ADC结构,其结合了SAR ADC和Sigma-Delta ADC的优点,具有高精度、低功耗、能适应先进工艺等特点。本文以噪声整形SAR ADC的研究与设计为核心,主要的研究内容和创新点如下:(1)对噪声整形SAR ADC的发展和研究现状作了调研,详细分析推导了级联积分器前馈式和误差反馈式这两种主流噪声整形SAR ADC架构。(2)设计了一种具有无源增益的二阶噪声整形SAR ADC。环路滤波器中的积分电容在SAR转换阶段串联相接在多输入比较器两端实现对积分电压的无源增益,从而降低了对比较器增益的要求;通过对DAC电容阵列上残差电压进行两次积分操作,实现对量化噪声的二阶整形,增强了噪声整形SAR ADC的噪声整形能力;在进行SAR转换阶段,将DAC电容和积分电容分开连接到多输入比较器输入端,避免了导通开关中MOS管沟道电荷注入对噪声整形SAR ADC的影响。(3)针对噪声整形SAR ADC中DAC电容失配的问题,提出了一种基于权重位轮换方式的分段式动态元件匹配(Dynamic Element Matching,DEM)电路。通过DAC权重位轮换的DAC电容选取方式,可以使用一个结构非常简单的缓冲器代替结构较为复杂的二进制转温度计码器,降低了DEM电路的规模;此外,对DAC电容阵列分段使用DEM电路避免了DEM电路复杂度呈指数增长的问题。(4)设计了噪声整形SAR ADC的版图,提取寄生参数并进行后仿真。仿真结果表明,本文ADC在50k Hz的信号带宽下实现了14.8-bit的有效位数(Effective Number of Bits,ENOB),功耗仅为231μW,从而达到了174.5d B的Schreier优值。