随着科技产品往数字化方向发展,对模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)的精度和功耗要求越来越高。逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC具有面积小、功耗低、结构简单等优点,不仅被广泛应用在低精度低功耗...
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随着科技产品往数字化方向发展,对模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)的精度和功耗要求越来越高。逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC具有面积小、功耗低、结构简单等优点,不仅被广泛应用在低精度低功耗的领域,在高精度低功耗领域也有着广阔的应用前景,所以研究高精度低功耗SAR ADC具有重要的现实意义。本文通过对不同结构的SAR ADC对比分析,再根据高精度低功耗的设计要求,确定了适合本课题的设计方案。设计的SAR ADC主要包括采样开关、DAC电容阵列、比较器和SAR控制逻辑等关键模块。采用栅压自举结构的采样开关,可以提升采样速度和线性度;DAC采用三段式电容阵列结构以及“先比较,后切换”的策略,可以减少电容阵列中的一位电容,相比于传统的两段式电容阵列结构,面积减小了68.75%,同时电容阵列采用基于V型开关切换方案,不仅有利于减小比较器的动态失调,还可以大大降低电容开关切换过程中的能量消耗;比较器采用预放大锁存的动态比较结构,与运放结构比较器和Latch比较器相比,该结构的比较器具有较高的增益和响应速度,另外采用IOS和OOS组合的方式对比较器的失调电压进行校正;SAR控制逻辑采用同步时序,减小了设计的复杂度。本文基于TSMC 0.18μm CMOS工艺完成流片,并完成PCB测试板的设计和测试平台的搭建。测试结果表明:设计的SAR ADC具备采样保持、逐次逼近等基本功能,在采样率为2MS/s、输入信号为奈奎斯特频率下,信噪失真比为60.8d B,无杂散动态范围为71.2d B,有效位数为9.8bit,平均功耗为958.6μW。最后对测试结果进行了详细的分析,并提出相应的改进方案。
电子产品市场竞争日愈激烈,对触摸屏技术的要求也越来越高。作为触摸检测系统必不可少的关键模块,模数转换器向高分辨率、高转换速度、低成本低功耗、可处理多通道的方向发展。本文提出了一种适用于触摸屏模拟前端的中高精度、高速逐次逼近型模数转换器。系统采用异步时钟控制方式提高转换速率。为了提高线性度,设计采用了两级结构的动态比较器,结合提出的失调校正电路,减少噪声、失调电压和功耗;电容阵列采用自适应平均化技术,在降低比较器噪声要求的同时提高系统的SNDR和SFDR;为解决电容失配的问题,设计采用数字校正的方式,使用高位电容子阵列提取失配误差,再通过数字端校正来提高系统的有效位。芯片在SMIC 0.18μm Mixed Signal 1.8V/5V工艺下进行设计。设计的12bits SAR ADC采样速率为20MS/s。仿真结果表明,在27℃、TT工艺角下,1.8V电源电压,9.9MHz输入信号频率时,系统的有效位为11.63bits,提取版图中的寄生参数后有效位为11.15bits,无杂散动态范围为81.41d B。芯片的面积为0.1916mm2,整个系统功耗为1.78mW。
随着信号链技术的不断进步与发展,人们生活的方方面面,模数转换器(ADC,Analog-to-Digital Converter)都参与其中。其重要性早已毋庸置疑。由于其具有着类型众多且复杂度较高的特性,因此模数转换器往往是集成电路设计中的重心,当然也是设计中的难关。近年来,随着通信技术的发展与普及,5G甚至6G技术的提出,人们对于信号传输的速度与精度要求以及信号传输设备的便携性大大提高,因此,在更低的功耗与芯片面积下达到更高的性能,成为了科研界与工业界方兴未艾的话题。Pipelined SAR ADC作为如今低功耗高速ADC的主流结构之一,兼具了SAR ADC结构简单,功耗低以及Pipelined ADC高带宽的优点,是一种典型的混合型ADC架构。本文在传统两级Pipelined SAR ADC架构上进行优化与改进,从更高速的角度出发,设计了一款三级(4+4+6)Pipelined SAR ADC,并通过MATLAB工具进行系统的建模仿真验证,随后运用Cadence Virtuoso仿真软件对实际电路进行设计与仿真,对采样电路与残差放大器等电路进行了性能的优化。本次设计采用标准28nm CMOS工艺,在电源电压为0.9 V,输入差分满幅度电压1.2 Vpp,采样频率为1 GHz的情况下实现了12 bits精度。整体电路功耗约为11.2 m W,奈奎斯特输入频率下系统整体各项指标为:SNR为63.98 d B,SNDR达到63.27 d B,ENOB为10.22 bits,SFDR为76.1 d B,整体电路Fo M值为9.3 f J/conversion-step。低频输入下各项指标为:SNR为65.1 d B,SNDR达到64.2 d B,ENOB为10.37 bits,SFDR为76.5 d B,整体电路Fo M值约为8.5 f J/conversion-step。
高速发展的片上系统SOC(System On Chip,SOC)技术对逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Analog to Digital Converters,SAR ADC)提出了高性能低功耗的要求。SAR ADC中的电容型数模转换器(Digital to Analog Converters,DAC...
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高速发展的片上系统SOC(System On Chip,SOC)技术对逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Analog to Digital Converters,SAR ADC)提出了高性能低功耗的要求。SAR ADC中的电容型数模转换器(Digital to Analog Converters,DAC)会在转换过程中从参考电压上汲取或者馈入电荷,进而引起参考电压的抖动。然而,参考电压作为SAR ADC中量化的“标尺”,其稳定性、精度以及噪声等性能都会直接影响到SAR ADC的性能。在高速的SAR ADC中,较易集成的传统有源参考电压驱动会有很高的功率消耗,这对于低功耗的设计要求是相悖的。此外,通过外接一个大的片外解耦电容,可以来降低传统有源参考电压驱动的功率消耗,但由于开关电容的快速切换,导致参考电压的电荷馈入,造成片内参考电压的震荡。为了使参考电压快速恢复到精度的要求,需要很大片的内解耦电容来吸收电荷,这将会占用很大的片内面积,无法满足集成度的要求。高性能SAR ADC的参考电压驱动技术已成为决定SAR ADC能否实现高性能的关键技术之一。
通过分析现有参考电压驱动技术,总结出参考驱动技术受限原因是SAR ADC中参考电压上的电荷损失,从而导致参考电压的精度不准确。本文所设计的参考电压驱动采用一个独立的解耦电容作为无源参考电压驱动,避免了传统有源参考电压驱动带来的高功耗或大面积的问题,并对电荷损失进行分析和补偿,在补偿DAC驱动作用下,恢复了SAR ADC的线性度,实现一个具有面积小、逻辑简单的优化补偿DAC参考电压驱动的方案。通过Matlab基于10 bit SAR ADC的架构下仿真,采用15倍DAC阵列总电容大小的独立解耦电容作为无源参考电压驱动,并在优化补偿DAC驱动的作用下,实现了SAR ADC性能指标无杂散动态范围与信噪失真比约有20 d B与10 d B的提升,同时降低了补偿电路设计的难度。在电路模拟仿真结果中,SAR ADC的性能表现出与行为级模拟仿真结果相似的提升趋势。此外,将此方案分别拓展到12 bit与13 bit SAR ADC的架构下仿真,无杂散动态范围与信噪失真比分别有约30 d B与20 d B以上的提升,以及补偿DAC所需补偿电容数量有明显的下降。
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