一种基于SAR ADC的低功耗动态比较器研究

论文摘要

模数转换器（ADC）是现今的应用电子设备以及通信设备的核心模块,近年来由于电子市场对便携式电子通信设备的需求,低功耗,高精度的ADC也成为ADC技术的主要发展趋势。比较器是ADC结构的主要模块之一,尤其是高精度、低功耗的高性能比较器在应用市场上也有重要的作用。本文首先详细介绍了衡量ADC的各项性能指标,并结合近十年来IEEE期刊中发表的有关各类ADC结构和新型技术的文章,详细总结各类ADC结构特点,技术趋势和各类ADC结构性能的发展趋势,应用领域,总结ADC发展概况。其次,基于对功耗、精度、速度的综合考虑,设计了工作在5V单电源电压下,适用于12位逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）结构的动态比较器结构,该结构包括前置预放大级、锁存级和输出级,采用开关电容技术对失调电压进行补偿。动态比较器的前置预放大级采用带有正反馈结构的全差分放大器,并包括一个以阈值电压为基准的自偏置电路,偏置电压采用MOS管型分压器,该结构提高了基准电压的精度也满足了对带宽的要求。采用正反馈锁存器可以大大降低功耗。动态低功耗比较器的设计采用CSMC的2P3M-0.5μm-MIX-CMOS工艺,在Cadence环境下对各个单元电路进行模拟仿真,当时钟频率为2MHz、电源电压为5V、共模输入1.9V时,分辨率为600μV、平均功耗为0.8mW。动态低功耗比较器的版图面积约为0.2mm2,对版图进行后仿真表明,该比较器可以正常工作,已经送去流片。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 比较器的研究现状以及研究意义
• 1.3 本课题所采用的工艺
• 1.4 本课题的任务
• 2 数模转换理论
• 2.1 ADC基础理论
• 2.1.1 ADC概述
• 2.1.2 ADC性能参数
• 2.2 ADC的结构分类及发展概况
• 2.2.1 Flash ADC
• 2.2.2 Two-Step ADC
• 2.2.3 Pipeline ADC
• 2.2.4 SAR ADC
• 2.2.5 Sigma-Delta ADC
• 2.2.6 Interleaved ADC
• 2.3 ADC的总结及展望
• 3 比较器的基本理论
• 3.1 比较器电路简介
• 3.2 比较器的性能指标及分析方法
• 3.2.1 比较器的静态特性
• 3.2.2 比较器的动态特性
• 3.3 比较器的结构分类
• 3.3.1 开环比较器（open-loop comparators）
• 3.3.2 再生比较器结构（Regenerative Comparators）
• 3.3.3 高速比较器
• 3.4 比较器的失调电压补偿
• 3.4.1 单端输出比较器
• 3.4.2 IOS和OOS两种结构的全差分比较器
• 3.5 本章小结
• 4 低功耗动态比较器的实现
• 4.1 比较器的设计要求和设计思想
• 4.1.1 比较器的设计要求
• 4.1.2 设计思路以及电路选择
• 4.2 比较器的整体结构
• 4.3 比较器的部分模块结构
• 4.3.1 前置预放大器（包含偏置电路）
• 4.3.2 正反馈锁存器
• 4.3.3 输出级
• 4.3.4 开关电路
• 4.4 本章小结
• 5 低功耗动态比较器的仿真分析
• 5.1 前置预放大器的仿真分析
• 5.2 Regenerative Latch的仿真
• 5.3 开关电路的功能仿真分析
• 5.4 动态比较器的功能仿真分析
• 5.5 比较器的整体仿真分析
• 5.5.1 整体比较器失调消除仿真
• 5.5.2 整体比较器功耗仿真
• 5.6 版图设计以及后仿真分析
• 5.6.1 前置预放大器电路版图设计
• 5.6.2 正反馈锁存器电路与输出级电路版图设计
• 5.6.3 开关电路版图设计
• 5.6.4 低功耗动态比较器的版图设计
• 5.6.5 动态低功耗的后仿真分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 附录 A
• 作者简历
• 学位论文数据集