纳米级cmos逐次逼近a%2fd转换器设计的研究和实现论文

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1、西安电子科技大学博士学位论文纳米级CMOS逐次逼近A/D转换器设计研究与实现姓名：佟星元申请学位级别：博士专业：集成电路系统设计指导教师：杨银堂201101摘要作为片上系统(SoC：System—on．Chip)的一种重要模块单元，A／D转换器(ADC：Analog—to．DigitalConverter)的应用日益广泛。集成电路工艺尺寸的不断减小在推动数字电路迅速发展的同时增加了高性能模拟电路的设计难度，A／D转换器作为典型的数模混合信号电路，在纳米级CMOS工艺下既面临着机会也面临着挑战。作为应用最为广泛的一种ADC类型，逐次逼近

2、(SAR：SuccessiveApproximationRegister)A／D转换器所含模拟电路较少，具有结构简单、功耗低、易集成等优点，在纳米级CMOS工艺下有很好的发展前景。基于多种SARADC结构类型，采用理论分析推导结合Matlab建模验证的方式，对SARADCD／A转换网络无源元件匹配性以及能耗进行了研究。详细分析和讨论了SARADC中比较器、开关以及电压基准的设计技术。在以上研究的基础上，基于纳米级CMOS工艺设计实现了两种SAR～D转换器。基于SMIC65nmCMOS低漏电工艺设计实现了一种8通道12．bit200kS

3、／s触摸屏SARA／D转换器。提出了一种新型R—C混合式D／A转换结构，通过一种二进制比例的电容对实现了电阻梯的复用，减小了转换器的面积，整个ADC的面积小于0．13mm2。提出了一种与SARADC工作原理完全兼容并且不增加任何额外时序逻辑的新型失调消除技术，有效减小了伪差分比较器的失调电压。提出了一种结合双端分段非线性补偿、对数项消除技术以及混合模式拓扑输出的新型温度补偿技术，提高了ADC内部电压基准源的温度稳定性。测试结果显示，12．bitSARADC具有70．13dB的信噪失真比(SNDR：SignaltoNoiseandDis

4、tortionRatio)，失调误差为1．28LSB，功耗仅为2．8mW，满足触摸屏SoC的应用要求。基于SMIC90nmCMOSLogic工艺设计实现了一种8通道10．bitSARA／D转换器。提出了一种能够用于高速低功耗系统的新型电平转换器，和传统结构相比，在速度和功耗方面都得到了显著优化。通过采用该新型电平转换器，并对内部R-C混合式D／A转换网络以及低失调伪差分比较器进行速度优化，该转换器实现了2．5MS／s的采样速率。整个ADC的面积为0．051mm2。在3．3V模拟电压和1．0V数字电压下，当输入为100kHz，3．0V峰

5、．峰值的正弦信号时，该lO．bitADC具有9．41一bits有效位(ENoB：EffectiveNumberofBits)，功耗为6．62mW。通过采用双电源进行设计，两种纳米级ADC均在较小的面积下实现了良好的信噪比，优良指数(FoM：Figure．of-Merit)也分别达到5．32pJ／conversionstep和4．47pJ／conversionstep，已经达到同类设计的优秀水平。关键词：片上系统6／D转换器逐次逼近纳米级CNOSAbstractAn)convertershavebeenwidelyusedastheSo

6、Cs’fundamentalbuildingblocks．Withthesiliconfeaturedimensiondownscalingintonanoscale，greatimprovementhasbeenmadeintheperformanceofdigitalcircuits，butmakinghighperformanceanalogcircuitsdesignincreasinglydifficult．Astypicalmixedsignalcircuits，A／Dconvertersarefacingbothoppo

7、rtunitiesandchallengestorealizehighperformancebasedonnanoscaleCMOS．SARA／DconverteriSoneofthemostpopularADCsduetoitssimplearchitecture，smallareaandeasinesstobeintegratedwithotherblocks．SARADCcontainslessanalogcircuitsandhasadvantagesoverotherADCsalongwithCMOStechnologydo

8、wnscaling．BasedondifferenttypesofSARA／Dconverter,thepassivecomponents’mismatchandenergydissipationofinternalD／