低功耗模数转换器的-研究与设计

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1、摘要在当今电子系统中，特别是随着可穿戴移动设备和红外传感器、无线传感器网络的迅速发展，对电子系统的小型化提出了更高的要求。为使这些装置随身化，一个低电压、低功耗的模数转换器（ADC，AnalogtoDigitalConverter）是必须的。本文首先比较分析了常见ADC的核心架构及其工作原理，最终确定采用逐次逼近（SAR，SuccessiveApproximation）结构的ADC。在此基础上基于SMIC0.13工艺设计了采样率达到1MS/s的10位低功耗逐次逼近ADC。在设计上对于数模转换器（DAC,DigitaltoAnalogConverter），DAC采用了分段电容阵列（Sp

2、litcapacitorarray），高位段和低位段电容阵列分别设置为5位，减小电路面积的同时可以降低DAC部分近37%的动态功耗，另外DAC的采样开关采用自升压结构（BootstrappedSwitch），降低采样开关在低电压下的等效电阻，提高采样的速度和线性度；在比较器方面，由三级预放大器和两级动态锁存器构成，并采用了失调消除技术，各级预放大器的输入级采用cascade结构，有效地隔离了输入和输出，减小了回程噪声的影响，而输出端采用了二极管连接钳位的方式和开关管复位的方式加快了比较速度。最后一级锁存器采用改进的两级动态锁存器，进一步提升比较速度的同时降低了失调误差。仿真结果表明该

3、比较器能够在20MHz的速度下分辨0.1mV输入电压，功耗仅200uW；对数字控制逻辑进行了研究与设计，采用全定制的方法，减小了数字电路部分的面积和功耗。仿真实验结果表明，在1.2V工作电源电压下，所设计的SARADC采样率达到1MS/s，输入信号频率为12.5KHz时，测得的输出信号信噪比为54.47dB,SFDR为45.18dB。关键词:模数转换器，数模转换器，比较器，失调误差，锁存器I万方数据AbstractInrecentelectricsystems,therapidadvancementinwearablemobiledevices,medicalsensorsandmi

4、cro-sensornetworkshasputforwardhigherrequirementsontheminiaturizationofelectronicsystems.Inordertomakethesedevicesportable,itisnecessarytodesignlow-voltage,low-powerADC.Firstofall,severaltypicalkindsofADCarchitectureandtheirprinciplearepresentedandcompared.Onthebasisof0.13µmCMOSprocess,a10-bit,

5、1MSpssuccessiveapproximationregisteranalog-to-digitalconverter(SARADC)ispresented.TheDACisimplementedbyusingsplitcapacitorsarraywithtwoseparated5-bitarrays,whichsavestheareaofcapacitorsarrayandreducesdynamicconsumptionbyabout37%.Theboostrappedswitchsforsample-and-holdareusedforreducingtheon-res

6、istanceofsamplingswitchandincreasingsamplingspeed.Duringthecompactordesign,three-stagepre-amplifierandtwo-stagedynamiclatchcascodestructureareadopted.Eachpre-amplifierisoptimizedwithinputcascadeMOStoimparethekickbacknoise.Diode-connectedMOStransistorsandresetswitchareusedasshort-circuitplugtobr

7、idgetheoutputsofeverypre-amplifierrespectively,anditacceleratesthecomparison.Animprovedtwo-stagedynamiclatchisappliedattheendoflatchstage，whichfurtherincreasescomparisonspeedandreducestheoffsetvoltage.Simulationresultsshowthatthep