一种低功耗sar adc设计及开关切换方案研究

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1、学校代码10530学号201510121267分类号TN492密级公开硕士学位论文一种低功耗SARADC设计及开关切换方案研究学位申请人曾华林指导教师谢亮副教授学院名称物理与光电工程学院学科专业集成电路工程研究方向模拟集成电路设计二○一八年六月DesignofaLowPowerSARADCandResearchofSwitchSwitchingSchemeCandidateHualinZengSupervisorAssociateProfessorLiangXieCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectricEngineeringProgr

2、amIntegratedCircuitEngineeringSpecializationAnalogIntegratedCircuitsDesignDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018摘要CMOS工艺尺寸的缩小推动了集成电路产业的飞速发展。目前，集成电路产品已广泛应用于生活中的各个领域，而作为集成电路系统中最重要的元器件：模数转换器(AnalogtoDigitalConverter，ADC)，它实现了自然界中原始模拟信号到数字信号的转换，具有不可替代的作用。在不同类型的AD

3、C中，逐次逼近型模数转换器(SARADC)凭借其结构简单、功耗低、面积小且与先进CMOS工艺兼容性好的独特优势，成为了中高精度和中等速度等应用中的首选结构，在工业控制、数据采集、医疗设备以及便携式电子设备等诸多领域中被广泛应用。本文基于130nmCMOS工艺，设计了一种12位精度，2MS/s转换速率的低功耗SARADC，其各子电路模块包括采样保持电路、比较器、电容DAC阵列以及逻辑控制电路。其中，采用栅压自举结构的采样开关，提高其线性度，减小了谐波失真；结合一种高能效开关切换DAC阵列，其减小了电容的面积的同时，也有效的降低了开关切换过程的动态功耗；比较器采用了两级结

4、构的动态比较器，在时钟的控制下工作，不存在静态电流。本文采用了双电源供电技术，3.3V的模拟供电电压使得ADC对信号的处理范围增大，实现了较高的信噪比；1.2V的数字供电电压，降低了数字电路的动态功耗。在Cadence软件平台上，进行了整体电路设计，利用Spectre对电路进行仿真验证，最后，完成版图设计和后仿真。在2MHz的采样频率下，当输入信号频率为901.4kHz时，实现了11.58位的有效精度，无杂散动态范围达到了78dB，功耗小于350μW，品质因数为55fJ/conversion-step。此外，本文对电容开关切换策略进行了研究，提出了一种改进的高能效开关

5、切换策略，相比传统结构，电容面积减小了75%，切换功耗降低了99.23%，这对低功耗SARADC的研究具有重要的意义。关键词：逐次逼近型模数转换器；高能效；双电源供电；品质因数；开关切换策略IAbstractTheshrinkingofCMOSprocesssizehaspromotedtherapiddevelopmentoftheintegratedcircuitindustry.Atpresent,integratedcircuitproductshavebeenwidelyusedinvariousfieldsoflifeasthemostimportantc

6、omponentinintegratedcircuitsystems:analogtodigitalconverters(AnalogtoDigitalConverter,ADC),whichrealizestheconversionoftheoriginalanalogsignaltothedigitalsignalinnature,andhasanirreplaceablerole.AmongvarioustypesofADCs,successiveapproximationanalog-to-digitalconverters(SARADCs)havebeenw

7、idelyappliedtomedium-highaccuracyandmedium-speedapplicationsduetotheiruniqueadvantagesofsimplestructure,lowpowerconsumption,smallarea,andcompatibilitywithadvancedCMOSprocesses.Thepreferredstructureiswidelyusedinmanyfieldssuchasindustrialcontrol,dataacquisition,medicalequipment,