应用于数字DC-DC中的ADC的研究与设计

摘要

随着微电子技术的发展，电子设备中集成电路对电源的要求越来越高，数字电源管理芯片成为研究者关注的热点。模数转换器（Analog to Digital Convert，ADC）作为关键电路模块，决定了数字DC-DC输出电压的性能，对满足数字DC-DC性能要求的ADC进行研究，具有重要意义。
　　通过对拟实现数字DC-DC性能指标的分析，根据其需要量化的模拟量输入范围窄、绝对精度要求高的特点，实现了一款窗口型FlashADC。
　　首先，分析了传统FlashADC的结构，针对BUCK型数字DC-DC特性的要求，确定了本论文ADC的设计指标和系统结构，为了减小电路规模，采用将预放大运算前置的结构；其次，采用SMIC180nm的工艺，通过Spectre+matlab仿真器，完成了包括预放大电路、反馈运放、比较器和编码模块的窗口型Fl ashADC的电路设计和各工艺角仿真。通过设置合理的参数和共模输入电压，在输入电压变化幅值为25.6mV时，用4-bit ADC实现了最低有效位（LSB）为1.6mV的高绝对精度；再次，针对预放大电路中存在的失调会对电路产生较大影响的问题，深入研究了预放大电路的失调消除方法。通过对MOS晶体管衬底偏压与其阈值电压之间关系的仿真分析，发现合理调节衬底偏压，可以改变MOS管的阈值电压，进而达到消除失调的目的。设计中将预放大电路的运算放大器输入对管设计在两个独立的阱中，以便独立调节它们的衬底偏压，数字信号控制着电阻分压网络输出端的衬底电压，当预放大电路出现失调时，在数字信号控制下通过逐次逼近的方法调节输入对管的相对衬底偏压，直至输入对管等效阈值相等，失调得到消除，校准结束。将具有失调电压消除作用的预放大器应用于设计的窗口型Flash ADC中，可有效消除电路的失调。
　　在完成整体系统设计仿真的基础上，完成了Flash ADC的版图设计及后仿真。结果表明，在工作电压为3.3V，采样频率为15MHz的条件下，通过在输入端引入失调电压，然后使用本文提出的失调电压消除方法进行校正。仿真结果表明，在不采用失调消除技术时，有效位数只能达到3.208-bit，而在采用失调消除技术之后，有效位数可以达到3.793-bit，SNDR为24.592dB，相较理想值25.84dB损失很小，满足设计要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 发展现状与趋势

1.3 研究内容

1.4 论文的主要结构

2 模数转换器理论基础

2.1 模数转化器基本原理

2.2 模数转化器的分类

2.3 模数转化器的性能参数

2.4 适用于数字DC-DC中的ADC

2.5 几种降低ADC的offset的技术

3 本文设计的窗口型Flash ADC

3.1 窗口的概念

3.2 窗口型Flash ADC

3.3 窗口型Flash ADC的模块设计

3.4 自动改变衬底电压消除offset的技术

4 版图的设计

4.1 版图设计中的考虑因素

4.2 版图的实现

5 总结与展望

致谢

参考文献