低功耗SAR ADC技术研究

论文摘要

当前芯片领域中,数字信号处理系统（DSP）已经基本替代了模拟信号处理系统而受到广泛的应用。作为连接模拟世界与数字信号处理系统的桥梁,模数转换器（ADC）的性能要求也越来越高。当前的模数转换器所采用的结构主要有快闪型（Flash）、流水线型（Pipeline）、过采样型（Over-sampling）以及逐次逼近型（SAR）等等。其中逐次逼近型模数转换器因为其结构简单、成本低、功耗小、中到高等精度以及与当今CMOS工艺兼容性好等优点而广受学术界和工艺界的喜爱。随着对逐次逼近型模数转换器的深入研究,有越来越多的结构出现,不同结构因其性能上不同的优点而被应用在不同的场合。本文首先对不同结构的模数转换器进行了分析,比较各种结构的优缺点,然后对逐次逼近型模数转换器的各个模块进行研究,从数模转换器模块的结构改进上详细介绍了当前各种不同结构的逐次逼近型模数转换器,并对其参数性能进行了定量的分析与对比。本文的预期目标是寻找一种可能达到转换速度40Ms/s,分辨率12bit,功耗低于2mW的逐次逼近型模数转换器结构。在上述分析的基础上改善并确定了采用的数模转换器模块的电容阵列结构,而后又分析其异步时序控制电路的实现,并定量分析和确定了比较器结构的选择。通过以上工作,在理论上寻找到了一种更可实现的方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文目标及意义
• 1.3 论文内容及安排
• 第二章 模数转换器原理概述
• 2.1 模数转换器定义
• 2.2 模数转换器参数
• 2.2.1 基本参数
• 2.2.2 静态参数
• 2.2.3 动态参数
• 2.2.4 综合参数
• 2.3 不同类型模数转换器结构特点
• 2.3.1 Flash ADC（并行ADC）
• 2.3.2 Two Step ADC（两步快闪ADC）
• 2.3.3 pipel ine ADC（流水线型ADC）
• 2.3.4 Sigma-Delta ADC
• 2.3.5 SAR ADC（逐次逼近型ADC）
• 2.3.6 不同结构ADC的对比
• 2.4 模数转换器总结展望
• 2.5 本章小结
• 第三章 逐次逼近型模数转换器结构分析
• 3.1 传统逐次逼近型模数转换器结构
• 3.1.1 采样保持电路
• 3.1.2 数模转换器
• 3.1.3 比较器
• 3.1.4 数字逻辑阵列
• 3.1.5 传统结构SAR ADC的缺陷和典型性能
• 3.2 逐次逼近型模数转换器结构改进
• 3.2.1 电荷再分配型SAR ADC
• 3.2.2 分段电容阵列SAR ADC
• 3.2.3 C-2C电容阵列SAR ADC
• 3.2.4 RC混合结构SAR ADC
• 3.2.5 异步控制电荷分享SAR ADC
• 3.2.6 set-and-down电容阵列SAR ADC
• 3.2.7 Merged Capacitor Array（MCS）结构
• 3.2.8 pipel ine SAR混合结构
• 3.2.9 Flash SAR混合结构
• 3.3 几种不同结构SAR ADC对比
• 3.4 本文采用的12bit SAR ADC改进结构
• 3.5 本章小结
• 第四章 电容结构功耗及精度分析
• 4.1 传统电荷再分配结构SAR ADC
• 4.2 set-and-down电容阵列SAR ADC
• 4.3 Merged Capacitor Array结构SAR ADC
• 4.4 本文采用结构SAR ADC
• 4.5 不同结构SAR ADC功耗对比
• 4.6 INL,DNL分析
• 4.7 不同结构性能比较
• 4.8 本章小结
• 第五章 异步时序控制电路的实现
• 5.1 同步电路时序和异步电路时序对比
• 5.2 异步时序控制设计
• 第六章 比较器电路设计
• 6.1 工作原理
• 6.2 静态特性
• 6.3 动态特性
• 6.4 比较器结构选择
• 6.5 本文采用比较器结构
• 第七章 总计与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢