基于65nm cmos工艺高速低功耗sar adc的研究与设计

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1、基于65nmCMOS工艺高速低功耗SARADC的研究与设计重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：倪亚波指导教师：徐世六教授专业：微电子学与固体电子学学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一六年五月DesignTechniquesforHigh-speedandLow-powerSARADCBasedon65nmCMOSprocessAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDeg

2、reeofEngineeringByNiYaboSupervisedbyProf.XuShiliuSpecialty：MicroelectronicsandSolid-stateElectronicsCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2016中文摘要摘要模数转换器(ADC)作为模拟信号与数字信号之间的桥梁，在数字化程度不断加深的现代电子系统中至关重要，已成当代电子信息技术不可或缺的部分。随着无线传感网

3、络、便携式消费电子产品、可穿戴医疗监控设备等低功耗电子系统的快速发展，具有高集成度的高速低功耗ADC市场需求不断增加。面对市场的巨大需求，ADC逐渐采用更加先进的制造工艺，已从亚微米级的0.35μm-0.18μm工艺转向纳米级的90nm-32nm工艺。纳米级工艺制约了传统模拟电路系统的性能，从而改变了ADC的研究思路和发展趋势。目前，逐次逼近型模数转换器(SARADC)因其结构简单、面积小、数字化程度高等特点，已成为了纳米级工艺下ADC的主要研究方向，具有重要的研究价值和巨大的市场潜力。因此，基于65nmCMOS

4、工艺，研究和设计高速低功耗SARADC具有重要意义。本文首先分析了SARADC在高速、低功耗方向的发展现状，明确了论文的研究目标和研究内容，并制定了具体设计指标。然后，介绍了SARADC的工作方式和基本结构；分析了电容转换能耗和匹配性，研究了高能效电容转换方案；讨论了动态比较器的失调、噪声和亚稳态误差对SARADC性能的影响；并结合SARADC工作方式研究了SARADC的逻辑实现技术。在以上研究的基础上，基于1.2V65nmCMOS工艺，完成了10位80MSPS异步SARADC的电路设计工作：在分析高速低功耗SA

5、RADC面临的技术瓶颈的基础上，提出了一种新型高能效电容转换方案，减少了电容状态的改变次数、比较器工作次数和数字电路翻转次数，降低了SARADC整体功耗；并采用二进制校正技术解决了电荷再分配式数模转换器(C_DAC)短时间内建立不稳定的技术难题，提高了SARADC速度。之后，设计了SARADC各子模块电路；即采用栅压自举技术，设计了一种高线性度的栅压自举开关；通过延长放大阶段时间，在不增加功耗的情况下，减小了动态比较器的输入等效噪声；提出了带绕过机制的异步SAR逻辑和电容状态控制逻辑，控制各子模块电路实现了模数转

6、换功能；通过简化二进制校正技术的纠错算法，设计了一种结构简单的带溢出校正功能的数字纠错电路(DEC)，完成了二进制编码输出的功能。完成电路设计工作后，使用CadenceVirtuso软件设计了SARADC版图并完成后仿真验证。在电源电压为1.2V，转换速率为80MSPS时，无杂散动态范围SFDR达到72.5dB，信噪比SINAD达到59.67dB，整体功耗仅为0.87mW，优值FOM为13.8fJ/conv.step。后仿真结果表明：本文设计的SARADC在较高的转换速率下，具有高无杂散动态范围、高信噪比和低功耗

7、的特性，达到论文设计指标；其中，I重庆大学硕士学位论文SARADC的优值FOM已达到国内领先水平。关键词：逐次逼近型ADC，低功耗，异步逻辑，二进制校正，高速II英文摘要ABSTRACTAsthedigitizationofmodernelectronicsystemsincreasing,A/Dconverter,thebridgebetweenanaloganddigitalsignals,playsanincreasinglyimportantroleinmanyfieldsandhasbecomeoneo

8、fthemostimportantpartsoftheelectronicinformationtechnology.Withtherapidexpansionoflow-pwerelectronicsystems,suchaswirelesssensornodes,portableconsumerelectronicsandwearablemedicaldevices,