基于Sigma-Delta噪声整形技术的逐次逼近型A/D转换器研究

摘要

随着集成电路工艺技术的不断发展，逐次逼近型（SAR）模数转换器（ADC）由于具有简单的电路结构和极高的功耗效率，使其在中低精度应用下备受欢迎。但是当ADC的分辨率超过10位时，SAR ADC对比较器噪声的要求变得十分严苛，而且所需的总电容值随精度呈指数式增长，这会消耗更大的芯片功耗以及芯片面积，带来匹配性难题。Sigma-Delta ADC是一种传统高精度过采样ADC结构，它在传感器领域和音频领域具有独特的优势和应用前景，能够在低精度量化器的基础上实现高精度信号输出，但其输入带宽十分受限，这是由于Sigma-Delta ADC往往采用较高的过采样比所导致的。结合SAR ADC和Sigma-Delta ADC结构的特点，本文尝试研究噪声整形SAR ADC结构，保留了SAR ADC的低功耗优势，又结合了Sigma-Delta噪声整形的高精度优势，可以实现在低过采样率的情况下，取得更高的精度，更适用于低功耗应用。 论文提出了一种基于无源噪声整形方案的SAR ADC，通过无源方式实现一阶噪声整形调制，值得注意的是，无源噪声整形方案仅对传统SAR ADC结构加以较少的调整，其引入的无源积分模块，使得量化噪声、比较器噪声以及数模转换器（DAC）电容失配噪声均受到（1-0.8z-1）噪声传输函数的整形作用。利用过采样的方式获得更高的转换精度，但不同于传统Sigma-Delta ADC，这种方案对PVT变化并不敏感，同时依旧保持逐次逼近型模数转换器在低电压和小尺寸发展下的鲁棒性优势。论文基于SMIC0.18μm CMOS工艺，电源电压为1V，采用8位拆分电容终端复用结构，减小了最高位电容。在采样频率为1MS/s，过采样率为8情况下进行电路仿真验证，SNDR达68.9dB，有效位数11.16位，信号带宽可达62.5KHz。电路功耗仅为12μW，ADC核心部分面积为350×400μm2，最终的SchreierFoM值达到166dB，Walden FoM达到42fJ/conv。整体有效位数提高3位以上，从频谱上实现了低频噪声压制。

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