一种新型高速高分辨率双积分A/D转换器的设计与研究

摘要

由于传感器产品的激增，过去几年中对于低功耗高精度传感器读出电路的需求也正在不断增大。这些传感器读出电路一般都需要具有低功耗和高分辨率特性的模数转换器。所以Sigma-Delta ADC，SAR ADC和Integrating ADC几种模数转换器是实现读出电路比较好的选择。Sigma-Delta ADC能达到很高的精度,但是随着转换精度的增加，系统后续的数字降采样滤波器会占用较大的芯片面积；SAR ADC的转换速率很快，但是由于电容匹配精度的限制，所以这种结构的模数转换器很难达到高的分辨率；Integrating ADC也可以达到很高的精度，并且还具有结构简单、功耗低的优势，而且dual-slope integrating ADC对电路中电阻电容的匹配精度不敏感。但是它的主要缺点是转换时间过长，而很大的积分电容也给全集成带来了很大的困难。另外，系统中积分器运放的失调问题也会严重的影响转换精度与输出数字码的连贯性。
　　本文改进出一款转换精度更高的ADC系统，此系统结合dual-slope integrating ADC和SAR ADC各自的结构优势，所以它的转换速度较传统Integrating ADC有大幅度提高，而且系统中所需要的积分电容值得到大幅度减小，所以它能够被集成在芯片内部。而且此ADC系统缓解了SAR ADC系统中大分布电容匹配精度的限制。针对积分器系统中运放的失调问题，本文在全差分的Integrating ADC结构中采用斩波稳定技术很好的消除了积分器运放的失调对系统转换精度的影响。利用标准0.5μm CMOS工艺，电源电压为5V，采样信号频率为2kHz，输入正弦信号频率为0.5kHz，仿真结果表明该 ADC系统的总功耗约为4.5mW，无杂散动态范围SFDR约为105 dB，有效位数至少为16位。

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第一章 绪 论

1.1 ADC的发展历史及应用

1.2 ADC的种类及优缺点比较

1.3 本文的研究内容及意义

1.4 论文的基本架构

第二章 系统方案设计

2.1 系统结构的基本原理

2.2 系统的整体框图及工作过程

2.3 SAR ADC子系统结构

2.4全差分Dual Slope ADC系统结构

2.5 运放的非理想因素

2.6 本章小结

第三章 模拟电路模块的实现

3.1积分器参数的选择

3.2 运算放大器的实现

3.3比较器的实现

3.4模拟CMOS开关

3.5 本章小结

第四章 数字控制系统的实现

4.1 SAR控制电路的设计

4.2 Dual Slope控制电路的设计

4.3 各基本模块电路的实现

4.4 本章小结

第五章 系统性能的仿真结果

5.1 高8位ADC的仿真结果

5.2 低8位ADC的仿真结果

5.3 整体16位ADC的仿真结果

5.4 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果