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16位逐次逼近型模数转换器关键技术研究

16位逐次逼近型模数转换器关键技术研究

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作者：龙睿湘潭大学

学位级别：硕士

集成电路工艺的迅速发展,使得芯片的运算速度不断提升,面积和功耗也在持续降低。数字电路作为能直接受益于工艺发展的电路类型,得到了广泛应用。但是自然界中普遍存在的信号是模拟信号,需要通过模数转换器(Analogto-Digital Converter,A... 详细信息

集成电路工艺的迅速发展,使得芯片的运算速度不断提升,面积和功耗也在持续降低。数字电路作为能直接受益于工艺发展的电路类型,得到了广泛应用。但是自然界中普遍存在的信号是模拟信号,需要通过模数转换器(Analogto-Digital Converter,adc)才能转换为数字电路能处理的数字信号。与此同时,精密仪器、医疗保健、汽车电子等众多领域需要应用到高精度数字信号,导致高精度adc的需求量迅速提升。adc种类繁多,其中逐次逼近型(Successive Approximation Register,sar)adc可以同时结合数字和模拟电路的优势,更能适应工艺的进步,因此成为了学者和企业的研究热点。但由于各种非理想因素的影响,sar adc的有效位被限制在12位左右,要想达到更高的精度,仍有许多关键技术需要突破。为此,本文以研究高精度sar adc的关键技术为核心内容,设计出了一款16位的高精度sar adc,主要研究内容包括:1.提出了一种多分段电容阵列的设计方案,可以解决电荷重分配结构sar adc单位电容数量指数级增长的问题。不仅得到了两分段和三分段的电容阵列结构以及计算方式,而且可以选择整数分段或分数分段形式,其中整数分段形式在减小面积的同时,还能降低版图匹配的难度。采用该方案,结合基于共模电压的开关切换方式,设计出了一种低功耗16位分段结构电容阵列,与传统结构相比,该结构的整体面积减小了99.4%,平均功耗可以降低87.5%。2.提出了一种适用于差分结构的自校准算法,能结合设计的电容阵列结构来降低电容失配造成的性能影响。该算法改进了校准DAC的结构,使其最大量化范围和最小步长可调;简化了在差分结构下误差电压的量化过程,采用正负两端相互对照的方法,提升了校准效率。通过行为级模型对算法进行验证,结果表明,adc的有效位从校准前的12.14位提升到了校准后的15.02位。3.基于55 nm CMOS工艺,设计了一款16 bit 1 MS/s sar adc。其中采样保持电路采用了下极板采样和栅压自举开关;电容阵列采用提出的差分分段结构;比较器为三级预放大和锁存级的级联结构,同时采用了失调电压自校准技术;sar控制逻辑为异步时序以提高采样率。电路的仿真结果表明,当采样频率达到1 MS/s时,sar adc的信噪失真比为82.44 d B,无杂散动态范围为83.75d B,总谐波失真为-83.18 d B,有效位为13.41位。

关键词：高分辨率sar adc 差分分段电容阵列电容失配自校准算法

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