低压、低功耗、高精度的逐次逼近型ADC设计

摘要

移动设备、手持医疗诊断设备和无线传感器等低功耗应用场合要求系统使用高效率的数模转换器（ADC）来提高系统的有效使用时间。同时，数字电路的电源不断下降迫使整个系统使用低电源电压的ADC来满足SoC系统集成的需要。考虑到SAR ADC的功耗非常低并且能够稳定的工作在低电源电压下，它往往是这些应用的最佳选择。
　　首先，本论文主要分析并且设计了一款0.5V电压下精度速度可以调整的SAR ADC，还提出了一个改进型时钟倍增电路和一个电平移位电路来减少ADC中采样开关和分辨率调节开关的漏电流。因为这两个新技术，该ADC可以在不减少有效精度的情况下工作在不同的采样率和不同的精度下。另外，该论文还分析了合并电容型电容阵列和分段式 DAC的非线性。芯片测试结果显示这个基于0.13um CMOS工艺实现的ADC能够在10比特、8比特和6比特的模式下分别取得8.5比特、7.4比特和5.9比特的有效精度。当这个ADC工作在10比特125kS/s采样率下时，其消耗的功耗为3.4uW其功率品质因数为74.6 fJ/step。
　　然后，该论文讨论并且设计了另一个0.5V电压12比特精度的自校准SAR ADC，并重点关注了低压下的自校准技术。利用本论文提出的自校准SAR ADC的行为模型，该论文研究了比较器噪声和校准DAC精度与ADC整体性能的关系。同时，还讨论了低压自校准SAR ADC在电路实现上的挑战和相应的解决方法。电路仿真结果显示该ADC在电容失配高达3％的情况下仍然能够取得11.1比特的有效精度和79dB的无杂散动态范围，而当该ADC工作在1MS/s采样率下时，其功率品质因数仅为12.6fJ/step。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 SAR ADC的研究现状

1.3本论文结构安排

第二章 SAR ADC的工作原理与设计

2.1 SAR ADC的工作原理

2.2电容阵列

2.3开关技术

2.4本章小结

第三章 0.5V电压下精度速度可调的SAR ADC的设计与实现

3.1 0.5V SAR ADC的系统设计

3.2电容阵列的设计

3.3超低电压下开关的设计

3.4比较器的设计

3.5 ADC的版图和后仿结果

3.6芯片测试结果

3.7本章小结

第四章 0.5V 12比特自校准SAR ADC的设计与实现

4.1自校准SAR ADC的系统结构

4.2电容阵列的设计

4.3自校准SAR ADC的行为建模和参数选定

4.4子模块电路的设计

4.5版图和仿真结果

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2展望

致谢

参考文献

个人简历及攻读硕士学位期间的研究成果