8位20ksps+0.4v超低功耗sar+adc的研究

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1、摘要摘要逐次逼近型模数转换器（SARADC）是一种具有中等采样速度和中等转换精度的ADC，它具有结构简单，面积小，成本低廉，能耗低等优点，广泛运用于无线传感网络，便携式设备，医疗电子，精密仪器仪表等等场合。随着工艺技术的进步，工艺尺寸进一步缩小，给数字电路设计带来了飞速的发展，对于模数转换器，特别是SARADC，由于SARADC中，模拟电路模块比较少，所以更为适应工艺的进步，工艺的进步给SARADC带了飞跃发展。近年来，SARADC凭借着其独特的性能优势，越来越受到国内外广泛的科研团体的青睐，高速高精度低功耗SA

2、RADC的设计取得了显著成果，涌现出一系列性能优异的芯片设计。本文设计了一款8位20KSPS0.4V超低功耗SARADC。通过对已有的各种关于电荷再分配结构时序的研究，提出了一种新型节能的电容开关时序，该结构巧妙的运用了整体切换的方式，极大的降低了时序切换过程中的转换能量。通过对几种不同时序开关的MATLAB建模仿真分析，与传统的开关时序对比，新型开关时序可以将电容的功耗和面积分别节省99.9%和75%。由于电容转换网络所消耗的能耗占整个系统的比重最大，因此，采用新型开关时序，能够非常有效的降低整个系统的能耗。由

3、于系统电源电压比较低，采用一级栅压自举电路无法使得MOS管完全导通，给系统引入了极大的非线性，因此，本文采用了二级栅压自举结构。低压低速情况下，电荷泄漏情况比较严重，为了减小电荷泄漏所带来的误差，在ADC系统的逻辑结构中使用了可再生锁存的方式。在版图设计中，将模拟电路和数字电路之间设计一定的物理隔离，并且添加保护环，提高了系统的抗干扰能力。部分MOS管采用了双阱工艺，抑制闩锁效应。对电路各个模块版图采用了对称共质心布局，并且电容阵列周围加入陪衬电容，以提高整个电容阵列的匹配性。在比较器两个输入对管周围加入dumm

4、y管，以减小失配的影响。本文设计基于SMIC0.18µmCMOS工艺，完成版图设计后，整体芯片面积为10702×1240m。在0.4V电源电压下，20KSPS采样率下，本论文所设计的超低功耗SARADC的ENOB为7.98bit，SNDR为49.799dB，SFDR为73.83dB，THD为69.55dB，功耗为19.76nW，功耗的优值FOM为3.86fJ/conversion-step。关键词：逐次逼近型ADC，低功耗，开关时序，泄漏功耗I万方数据西安电子科技大学硕士学位论文II万方数据ABSTRACTAB

5、STRACTSuccessiveapproximationregisteranalogtodigitalconverter(SARADC)isakindofmedium-samplingrateandmedium-high-resolutionconversionaccuracyADC,whichhasadvantagesofsimplestructure,smallarea,lowcostandlowpowerconsumptionetc,soitisrelativelywidelyusedinwireless

6、sensornetworking,portableequipment,medicalelectronics,precisioninstrumentsandsoon.Withtheadvanceofthetechnology,thefurtherdecreaseoftheCMOSprocesssizemakethedigitalcircuitachievedrapiddevelopment.TotheADC,especiallySARADC,processimprovementhasbroughtabigleapi

7、ndevelopmentforithaslittleanalogblock.Inrecentyears,SARADCwithitsuniqueperformanceadvantageshasbecomeapopularspotandhasbeenwidelystudiedbyresearchgroups.Aseriesofchipswithexcellentperformancehascomeout.An8-bit20KSPS0.4Vultra-lowpowersuccessiveapproximationADC

8、isdesignedinthispaper.WiththestudyofvarioustypesofChargeredistributionarchitecture,weproposedanewenergyefficientswitchingscheme.Thewayoftakingthecapacitorsasawhole,greatlyreducedtheenergy