检索结果-内蒙古大学图书馆

微电子学 2022年第4期52卷 550-554页

作者：王巍刘博文赵汝法张定冬张珊熊德宇重庆邮电大学光电工程学院/国际半导体学院重庆400065

为了解决高分辨率逐次逼近模数转换器(SAR ADC)中,电容式数模转换器(DAC)的电容失配导致精度下降的问题,提出了一种电容失配自测量方法,以及一种可适用于各种差分电容DAC设计的低复杂度的前台数字校准方法。该方法利用自身电容阵列及比... 详细信息

为了解决高分辨率逐次逼近模数转换器(SAR ADC)中,电容式数模转换器(DAC)的电容失配导致精度下降的问题,提出了一种电容失配自测量方法,以及一种可适用于各种差分电容DAC设计的低复杂度的前台数字校准方法。该方法利用自身电容阵列及比较器完成位电容失配测量,基于电容失配的转换曲线分析,对每一位输出的权重进行修正,得到实际DAC电容大小对应的正确权重,完成数字校准。数模混合电路仿真结果表明,引入电容失配的16位SAR ADC,经该方法校准后,有效位数由10.74 bit提高到15.38 bit。

关键词：逐次逼近模数转换器数字校准电容失配

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高速低亚稳率Pipelined-SAR ADC的研究与设计

高速低亚稳率Pipelined-SAR ADC的研究与设计

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作者：黄琴电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着智能手机、汽车电子系统、人工智能系统等行业的发展,半导体行业发展迅速。ADC连接着数字世界和模拟世界,在集成电路领域中是极其重要的电路模块,信号传递的质量、速度和它的电路性能息息相关,因此,研究和设计高性能的ADC电... 详细信息

近年来,随着智能手机、汽车电子系统、人工智能系统等行业的发展,半导体行业发展迅速。ADC连接着数字世界和模拟世界,在集成电路领域中是极其重要的电路模块,信号传递的质量、速度和它的电路性能息息相关,因此,研究和设计高性能的ADC电路是非常有意义的。目前常见的ADC的种类有快闪型(Flash)ADC、Sigma-Delta型ADC、流水线型(Pipeline)ADC、逐次逼近寄存器型(Successive Approximation Register,SAR)ADC等。Pipeline ADC以流水线式的模式工作,广泛应用于高速中高精度的场合。SAR ADC电路的结构简单,广泛应用于在高速低功耗中精度的场合。比较器作为ADC的核心模块,它的亚稳态会对ADC电路的整体性能造成影响,在高速ADC电路中比较器的亚稳态问题更为严重。本文设计了一款10位高速低亚稳率流水线逐次逼近模数转换器(PipelinedSAR ADC),结合了传统Pipeline ADC和SAR ADC电路的优点,同时改善了这两种结构的缺点。首先,阐述了比较器的亚稳态,分析了影响比较器亚稳态的因素,并总结了目前已发表的降低比较器亚稳率的方案,然后提出了本文采用的降低比较器亚稳率的方案,即使用两个相同的比较器,改进了比较器逻辑电路、DAC电容阵列电路,并建模验证了方案的可行性和有效性。随后,对Pipelined-SAR ADC进行MATLAB行为级建模,验证了所采用的ADC结构的有效性,通过分析仿真数据,确定了所设计的ADC电路的基本结构。本次设计的ADC采用两级流水线结构,第一级子ADC为5位SAR ADC结构,第二级子ADC位6位SAR ADC结构,包括一位冗余位,通过残差放大器连接两级ADC电路。本文设计的Pipelined-SAR ADC电路是在CMOS 28nm工艺下实现的,电路中的电源电压为0.9V,在580MHz的采样频率下对Pipelined-SAR ADC电路的整体性能进行仿真,当输入信号位奈奎斯特频率时,电路的有效位数是8.88bit,无杂散动态范围SFDR为68.0dB,信噪失真比SNDR为55.21dB,电路功耗为9.109mA,品质因子FoM值为30fj/conv-step。

关键词：逐次逼近模数转换器流水线模数转换器比较器亚稳态残差电压放大器

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200MS/s高速SAR ADC研究与设计

200MS/s高速SAR ADC研究与设计

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作者：谢无双东南大学

学位级别：硕士

模数转换器(Analog to Digital Converters,ADC)是通信系统、物联网系统以及光纤无线电系统等的重要组成部分。采样率在百兆赫兹级别的ADC广泛应用于移动通信、生物医学以及自动化系统等,做为系统前端模数信号转换处理模块,其性能对后... 详细信息

模数转换器(Analog to Digital Converters,ADC)是通信系统、物联网系统以及光纤无线电系统等的重要组成部分。采样率在百兆赫兹级别的ADC广泛应用于移动通信、生物医学以及自动化系统等,做为系统前端模数信号转换处理模块,其性能对后续数字信号处理至关重要。相比于其他ADC,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)具有功耗极低、面积较小、精度高的优势,并且最适用于未来的工艺结构,从而在蜂窝基站,卫星和雷达接收器,便携式仪器设备等领域得到广泛应用,所以研究高速高精度的SAR ADC具有可观的应用价值。本文基于分析对比国内外SAR ADC的研究现状,研究了SAR ADC的几种基本结构,决定采用分段电容全差分的系统结构。设计了栅压自举开关结构做为前端采样电路,以提高采样开关的线性度,同时提高了采样精度和速度,增加冗余管缓解了馈通效应;通过改进型分段电容阵列,减少了总电容数量,有效地减小了面积;设计了DAC部分单调切换方案,前两位切换过程均不消耗能量,使得开关切换功耗比传统的切换方案减少了约50%;引入基于可变电容阵列的DAC寄生电容校正技术,改善了DAC电容阵列的寄生电容带来的权重问题,从而提高SAR ADC的精度,引入校正后ADC的有效位数提高了2 bits;设计了一个两级动态比较器,提高了比较速度,消除了静态功耗,经过蒙特卡洛仿真显示,校正后的失调电压仅为0.3mV;SAR控制逻辑电路得到比较结果并直接反映到DAC开关切换,提高了SAR的转换速度;设计了串行输出方式,降低了数字逻辑的复杂度,减小了芯片的面积和功耗。本设计采用TSMC 40nm CMOS工艺实现了12位SAR ADC的电路和版图设计,版图面积为195μm×140μm。系统后仿真结果显示:当采样速率为200MS/s,输入信号频率接近奈奎斯特频率,设置为95MHz时,信号噪声失真比为51.2dB,无杂散动态范围为54.6dB,总功耗为9.3mW。

关键词：逐次逼近模数转换器高速高精度寄生电容校正

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10bit 500KS/s低功耗SAR ADC设计

10bit 500KS/s低功耗SAR ADC设计

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作者：冯子琛东南大学

学位级别：硕士

受益于CMOS工艺的快速发展,可穿戴生物医学设备和无线传感网络快速发展并改善了人们的日常生活。这些设备应用广泛,需要长期工作并避免频繁更换电池,因此低成本和低功耗的模数转换(Analog-to-Digital Converter,ADC)电路必不可少。为了... 详细信息

受益于CMOS工艺的快速发展,可穿戴生物医学设备和无线传感网络快速发展并改善了人们的日常生活。这些设备应用广泛,需要长期工作并避免频繁更换电池,因此低成本和低功耗的模数转换(Analog-to-Digital Converter,ADC)电路必不可少。为了满足上述需求,本文设计了一款10bit 500KS/s的低功耗逐次逼近(Successive Approximation Register,SAR)ADC。本文首先从开关算法、电容型数模转换器(Capacitor Digital-to-Analog Converter,CDAC)结构和比较器三个方面分别介绍了近年来国内外在低功耗SAR ADC领域的研究现状。接着从系统层面,使用改进分段结构提出了一种基于三电平切换和冗余位切换的低功耗开关算法。利用MATLAB对所提出的开关算法与ADC进行了建模与仿真,验证了方法的可行性。相比于传统开关算法,本开关算法将能耗降低了98.98%,将单位电容数量降低了93.75%。为了解决电容阵列在工艺角和温度仿真时的复位问题,本文设计了电荷泵复位电路。考虑到电荷注入的影响,采样开关使用底极板采样方案。本文还提出使用尾电容和共源共栅来提升动态比较器的功耗和噪声性能。在数字电路部分,使用了同步时序。本文基于TSMC 40nm CMOS工艺进行了SAR ADC的原理图和版图设计,核心版图尺寸为180μm×120μm。后仿真结果表明,在电源电压为0.6V,采样率为500KS/s,输入正弦信号频率为248.5352kHz时,有效位数达到了9.93bit,信噪失真比为61.55dB,无杂散动态范围为74.59dBc,总功耗为0.825μW,品质因数为1.69fJ/conversion-step,所设计的SAR ADC满足设计指标。

关键词：低功耗逐次逼近模数转换器开关算法动态比较器复位

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带冗余位的14位20MSPS SAR ADC设计研究

带冗余位的14位20MSPS SAR ADC设计研究

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作者：王玉涛西安电子科技大学

学位级别：硕士

无线通信技术的快速发展，使无线通信标准朝着更快的数据传输率、更高的数据传输质量和多模支持的方向发展。同时，便携式消费类电子的普及要求电池续航的时间尽可能长。因此对高速、高精度和低功耗模数转换器（ADC）的设计提出了新的... 详细信息

无线通信技术的快速发展，使无线通信标准朝着更快的数据传输率、更高的数据传输质量和多模支持的方向发展。同时，便携式消费类电子的普及要求电池续航的时间尽可能长。因此对高速、高精度和低功耗模数转换器（ADC）的设计提出了新的挑战。流水线模数转换器（Piplined ADC）基于并行工作方式，在速度、精度和功耗方面实现了较好的折中，是目前高速、高精度ADC的主流实现技术。然而，Piplined ADC需要运算放大器等线性增益模块，随着 CMOS特征尺寸和相应电源电压的降低，高性能运算放大器的设计变得越来越困难。逐次逼近模数转换器（SAR ADC）不需要运算放大器，模拟模块少，采用电容DAC网络能显著降低功耗，但基于串行工作方式，目前主要应用于中低等速度中等精度的领域。工艺尺寸的进步和时域交织技术的发展，为高速SAR ADC的实现提供了条件；高精度SAR ADC主要受DAC电容失配和噪声的限制，数字校准和噪声整形等技术，使得高速高精度SAR ADC的实现成为可能，并且该结构还具有低功耗的优势。\n 本文首先以传统二进制D/A转换器为例，详细介绍了SAR ADC的工作原理。电荷再分配SAR ADC功耗低，适应工艺的变化，但它的转换精度受DAC电容失配的限制，而数字校准技术是解决失配问题最有效的方法。接着介绍了带冗余位的SAR ADC，即sub-radix-2 SAR ADC，详细阐述了sub-radix-2结构的误差容忍窗口以及对于给定的失配，radix和转换次数的选择。基于该结构，设计了一款扰动数字校准的14位20MS/s SAR ADC，分别从电路结构、校准模式整体电路时序分析及扰动电路的实现、片内参考电压缓冲器、DAC电容网络、采样开关、高速高精度比较器、异步逻辑电路和数字校准电路实现等方面，对该款ADC进行了详细的说明。\n 本文采用TSMC65nm CMOS工艺实现了带冗余位的14位20MS/s SAR ADC，为降低电路功耗，采用双电源供电，模拟模块电源电压为2.5V，数字模块电源电压为1.2V。由于采用基于扰动的数字校准技术来解决电容失配的问题，所以SAR ADC中 DAC阵列大小仅取决于 kT/C而不会影响线性度，这样极大的降低了电路的功耗和芯片面积。同时sub-radix-2冗余结构减小了DAC阵列寄生电容对整体的影响，并且片内参考电压缓冲器的引入解决了由于引线键合影响DAC建立不完全的问题。由于采用片内参考电压供电，为节省功耗，采用只有VREF和Gnd供电的DAC电容网络，并且采用预置位的上极板采样技术保证共模电平保持不变，降低了比较器设计的难度。在双电源电压下，当采样频率为20MS/s，输入信号为奈奎斯特（Nyquist）频率时，整体电路的功耗为20.9mW（数字校准电路功耗2.1mW，核心电路模块功耗为18.8mW，其中片内参考电压缓冲器功耗为9.85mW），校准前输出信号的无杂散波动态范围（SFDR）为66.19dB，信号噪声失真比（SNDR）为57.97dB，有效位数（ENOB）为9.34位；校准后SFDR为109.93dB，SNDR为82.74dB，ENOB达13.45位，对应的优值（FOM）为169.54dB。

关键词：逐次逼近模数转换器电容匹配数字校准冗余位

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图像传感器中高精度高速度ADC的研究与设计

图像传感器中高精度高速度ADC的研究与设计

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作者：郭杨钰吉林大学

学位级别：硕士

图像传感器是一种将光学图像转换为电子信号的设备，是集像素阵列、模拟电路、数字电路于一体的数混合集成电路。根据最新的市场调查报告，从2014年到2020年，图像传感器产业将以10.6%的年均复合增长率快速增长，在2020年预计将达到160... 详细信息

图像传感器是一种将光学图像转换为电子信号的设备，是集像素阵列、模拟电路、数字电路于一体的数混合集成电路。根据最新的市场调查报告，从2014年到2020年，图像传感器产业将以10.6%的年均复合增长率快速增长，在2020年预计将达到160亿美元的市场价值。在这庞大的市场中有很多领域需要高速图像传感器，比如科学研究、撞击测试、高速扫描、机器视觉、军事研究等等。通常来说，图像传感器中应用的是斜坡模数转换器，然而由于其自身架构的局限性，斜坡模数转换器成为了高速图像传感器设计的瓶颈。在众多其他类型的模数转换器中，逐次逼近模数转换器由于高精度、高速度、低功耗和面积小等优势而与图像传感器契合度更高，是设计高速CMOS图像传感器时的首选。因而本课题在高速图像传感器的应用背景下，设计了一款10bit20MS/s的全差分SAR ADC。它主要由采样保持电路、比较器、异步时钟产生电路、SAR逻辑控制模块和DAC组成。通过对架构的优化，本课题设计的逐次逼近模数转换器相比于传统的逐次逼近模数转换器要减少一半的电容，并且DAC中电容对应的开关偏转平均功耗仅为传统架构消耗能量的18.74%。本论文设计的SAR ADC芯片在0.18um的CMOS工艺下，芯片面积为750x135um2；在1.8V的电源电压下，芯片功耗为750uW。完成SARADC的版图设计后，提取寄生，当输入信号频率为566.4kHz时，得到的仿真结果如下：有效位数ENOB为9.89bit，信噪失真比SNDR为61.33dB，无杂散动态范围SFDR为77.09dB。此外，还通过工艺角的仿真验证了上述结果的可靠性。对SARADC进行流片，并搭建测试平台，当输入信号频率为112kHz时，测得的结果如下：有效位数ENOB为8.63bit，信噪失真比SNDR=53.76dB，无杂散动态范围SFDR为67.31dB。

关键词：图像传感器逐次逼近模数转换器权电容网络DAC 栅压自举开关异步时钟产生电路

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10位10MHz SAR ADC设计

10位10MHz SAR ADC设计

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作者：史立轺北方工业大学

学位级别：硕士

逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)以其低功耗和低面积开销等优点,且易于通过时钟控制转换速率和功耗,所以在工业控制和医疗仪器中得到了很广泛的应用。随着当今的片上系统和便携式设备的飞速发展,使得SAR ADC在低功耗方面上的优势将会使... 详细信息

逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)以其低功耗和低面积开销等优点,且易于通过时钟控制转换速率和功耗,所以在工业控制和医疗仪器中得到了很广泛的应用。随着当今的片上系统和便携式设备的飞速发展,使得SAR ADC在低功耗方面上的优势将会使其在未来得到更广泛的应用。本文在从进一步降低功耗的角度出发,通过改进传统逐次逼近型ADC的数字控制结构,以使得控制逻辑简单化的同时也降低了功耗。在新结构中使用了电容上极板采样,单向电容阵列开关。同时比较器也使用减小回馈噪声的设计。整体电路版图数字和模拟部分均采用全定制设计,以更好的对电路的各个部分进行优化。最终对版图布局中各个部分中的寄生参数进行了优化。使用SMIC0.18CMOS工艺,设计并完成了一个10bit,10MHz采样率的SAR ADC芯片,并在cadence平台上进行了仿真分析,后仿结果表明整体电路能在10Ms/s的采样率下工作,总体功耗为5.8mW, FOM值为0.8pj/conv。SNDR达到59dB,即有效位达到9.5位,芯片面积为0.6mm2。该新结构与传统结构相比,逻辑有很大的简化并且功耗也有明显降低,并通过仿真验证了本结构的逻辑优化和功耗优化方案。

关键词：逐次逼近模数转换器比较器电容阵列

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基于混合编码DAC的低功耗SAR ADC设计

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微电子学与计算机 2013年第7期30卷 91-94页

作者：杨明赵毅强夏璠天津大学电子信息工程学院天津300072

设计了一种基于混合编码DAC的低功耗SAR ADC.其分段电容DAC采用混合编码,减小了短时脉冲波形干扰的影响;为降低DAC寄生效应和电容阵列失配误差的影响,在DAC和比较器的版图设计中考虑了一些匹配技术.采用GF(Global Foundry)0.35μm CMOS... 详细信息

设计了一种基于混合编码DAC的低功耗SAR ADC.其分段电容DAC采用混合编码,减小了短时脉冲波形干扰的影响;为降低DAC寄生效应和电容阵列失配误差的影响,在DAC和比较器的版图设计中考虑了一些匹配技术.采用GF(Global Foundry)0.35μm CMOS工艺流片验证,该ADC在500KSPS的速度下其INL在-0.6～0.4LSB区间范围内,DNL在-0.2～0.7LSB区间范围内,SNDR为54.13dB,有效位为8.7位.整个电路的功耗为537.9μW.

关键词：逐次逼近模数转换器混合编码匹配技术低功耗

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基于40nm CMOS工艺低功耗温度传感器的设计

基于40nm CMOS工艺低功耗温度传感器的设计

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作者：安永亮西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着电子产品的更新换代以及集成电路工艺技术的进步，集成电路芯片的特征尺寸越来越小，从0.18μm、0.13μm、90nm、65nm到45nm、40nm甚至32nm工艺，集成密度越来越高，器件的密度和能耗也越来越大，芯片热效应也越来越明显。集成电路... 详细信息

随着电子产品的更新换代以及集成电路工艺技术的进步，集成电路芯片的特征尺寸越来越小，从0.18μm、0.13μm、90nm、65nm到45nm、40nm甚至32nm工艺，集成密度越来越高，器件的密度和能耗也越来越大，芯片热效应也越来越明显。集成电路元件和金属互连线上的能耗将导致芯片内部的温度存在差异，从而导致电路的参数改变，性能变坏，严重的甚至出现逻辑功能的错误，芯片运行不正常。研究表明，芯片温度平均每升高1℃，MOS管的驱动能力将下降约4％，连线延迟增加5％，集成电路失效率增加一倍。为了避免芯片局部温度过高对芯片造成损害，需要在芯片内部集成一个温度传感器实时检测温度的变化。本论文利用与CMOS工艺相兼容的纵向晶体管的温度特性，设计了一款具有低功耗、较高精度的CMOS温度传感器。电路采用开关电流源结构，利用不同时间内晶体管基区-发射区电压差得出与绝对温度成正比例关系的电压ΔVBE，基于SMIC40nm CMOS逻辑工艺实现，电压采用2.5V（过驱动电压3.3V）/1.1V，仿真结果表明，在温度范围为-40℃125℃时，功耗为247.5μW，温度灵敏度为7.2mV/℃，温度仿真精度在±0.5℃以内。

关键词：互补金属氧化物半导体温度传感器低功耗逐次逼近模数转换器与绝对温度成正比

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用于生物电信号特征参数提取的SAR ADC研究

用于生物电信号特征参数提取的SAR ADC研究

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作者：王依波电子科技大学

学位级别：硕士

国民个人健康意识的逐渐增强,以及日益增长的保健和医疗成本推动了对用户身体状况远程监测和远程诊断的医疗系统的发展。为了获取全面可靠的监测信息并作出准确的诊断,需要对用户体内的生理信号进行连续的采集和量化,这就要求智能监测... 详细信息

国民个人健康意识的逐渐增强,以及日益增长的保健和医疗成本推动了对用户身体状况远程监测和远程诊断的医疗系统的发展。为了获取全面可靠的监测信息并作出准确的诊断,需要对用户体内的生理信号进行连续的采集和量化,这就要求智能监测系统拥有较小的物理尺寸和极低的功耗。ADC作为生物电信号检测的核心模块,其功耗以及性能对整个设备的影响非常大,而且作为DSP系统的前一级模块,如果能将ADC采集量化完成的数据进行特征参数提取,减少传输到DSP处理单元的数据量,那么不但可以减少数据传输过程中的功耗,还可以很大程度上减少DSP处理单元的功耗。因此设计一个能够进行生物电信号特征参数提取,并具备低功耗、高精度的ADC对于整个系统来说至关重要。本课题在0.13μm标准CMOS工艺下,设计了一款用于生物电信号特征参数提取的12bit低功耗SAR ADC。针对生物电信号的大部分时间内不会有很大的幅值变化,波段之间有非常明显的区别,并且整个信号随时间成周期性变化的特点,提出了一种新型的预测区间动态追踪算法,该算法大幅度减少了比较器和DAC电容阵列的功耗,并且基于本算法量化出的结果可以用于后续的生物电信号特征参数提取。结合预测算法和SAR ADC的工作原理,设计了与算法相匹配的DAC电容阵列以及整体的SAR ADC架构。通过MATLAB建模,验证了算法和架构的可行性。通过基于VCM-based的分段DAC结构减小了DAC电容阵列的面积和功耗。在Cadence环境中进行了电路设计,并完成了版图设计,对版图进行了参数提取。在10kS/s的采样率下,系统的后仿结果如下,SFDR为81.83 dB,SNDR为72.35 dB,ENOB为11.7 bit,在1.2V电源电压下功耗3.64W,FoM值为11.14fJ/Conv.-s。

关键词：低功耗逐次逼近模数转换器预测区间动态追踪生物电信号

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