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12位电容式逐次逼近型模数转换器的设计

作　者: 范亮
导　师: 李萍
学　校: 上海交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: 逐次逼近型模数转换器 电荷按比例缩放数模转换器 预放大锁存比较器 带隙基准
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文基于TSMC0.18m的1P6M工艺，设计了一款应用于SoC系统的逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）。整个电路包括模拟电路部分和数字电路部分。其中，模拟电路主要包括包括数模转换器电路、比较器电路、带隙基准电路和辅助电路。数字电路主要包括逐次逼近寄存电路和时钟频率转换电路。在数模转换器电路的设计中，本文在传统数模（D/A）转换器电路的基础上进行了改进。通过设计成分段式二进制加权电容阵列的结构，并将采样电容嵌入到D/A转换电容阵列中，既保证了采样精度，又有效地节省了芯片面积。同时通过下极板采样技术减少电荷注入效应和时钟馈通效应的影响。在电容阵列的设计中，利用单位电容并联的方法减小单个金属电容值的失配误差，并通过版图共中心的对称布局，进一步提高电容的匹配精度。在比较器电路的设计中，本文提出了一种三级预放大和一级锁存的比较器结构。在预放大电路部分，通过PMOS管输入减小1/f噪声并消除衬偏效应。通过输入级的cascade结构，有效地隔离了输入和输出，减小了回程噪声的影响，提高了输入级的电阻。在锁存器电路部分，设计了一种锁存器结构，能够有效地分离锁存器的采样模式和锁存模式，减小回程噪声。整个比较器的设计应用了失调校准技术。仿真结果显示，该比较器能够在1MHz速度下分辨0.2mV输入电压，功耗只有750uW。在带隙基准电路的设计中，本文对带隙基准电路进行了改进。电路的关键性运算放大器采用折叠式共源共栅放大器，仿真结果表明它具有很高的电压增益和良好的电源抑制比，能够很好地保证电路的稳定性。通过对整个带隙基准电路参数的优化，在TSMC0.18m的标准库下，采用蒙特卡罗分析法进行了1000次的仿真，整个仿真结果的抖动范围只有0.3mV，表明整个带隙基准电路的基准电压十分稳定。在数字电路的设计中，通过逐次逼近寄存电路、时钟频率转换电路等的设计，控制整个电路，并把串行输出转化为并行输出。再通过各种其他辅助电路的设计，完善了电路的各项功能。最后以TSMC0.18mCMOS工艺实现了整个电路的版图。本文设计的电容式逐次逼近型ADC采用单端输入，模拟部分工作在3.3V电源电压下，数字部分工作在1.8V电源电压下，转换精度为12位，采样率为1MS/s。仿真结果表明达到了设计要求。

全文目录


摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-14
  1.1 课题的背景及研究意义  9-10
  1.2 国内外 ADC 技术的现状及其发展趋势  10-12
  1.3 本文的研究目标  12-13
  1.4 本章小结及其他章节安排  13-14
第二章 ADC 的概述  14-27
  2.1 ADC 的基本原理  14-15
  2.2 ADC 的类型  15-21
    2.2.1 积分型 ADC  15-16
    2.2.2 逐次逼近型 ADC  16-17
    2.2.3 流水线型 ADC  17-18
    2.2.4 过采样型 ADC  18-19
    2.2.5 闪速型 ADC  19
    2.2.6 各类型 ADC 对比  19-21
  2.3 ADC 的性能参数  21-25
    2.3.1 静态性能  22-23
    2.3.2 动态性能  23-25
  2.4 本论文的 ADC 设计  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章 SARADC 的系统方案  27-79
  3.1 整体结构的设计  27-28
  3.2 数模转换器的设计  28-45
    3.2.1 数模转换器分类  28-33
    3.2.2 数模转换器电容阵列设计  33-35
    3.2.3 单位电容值的确定  35-37
    3.2.4 分段电容式 DAC 工作原理  37-39
    3.2.5 开关的设计  39-44
    3.2.6 数模转换器仿真结果  44-45
  3.3 比较器的设计  45-61
    3.3.1 比较器的性能  46-48
    3.3.2 比较器的设计  48-53
    3.3.3 比较器各模块的设计  53-60
    3.3.4 比较器的仿真结果  60-61
  3.4 数字电路设计  61-64
    3.4.1 逐次逼近寄存电路  61-62
    3.4.2 时钟控制电路  62-63
    3.4.3 数字电路的仿真结果  63-64
  3.5 带隙基准电路设计  64-73
    3.5.1 带隙基准原理  64-68
    3.5.2 运算放大器和自启动电路设计  68-71
    3.5.3 带隙基准电路的仿真结果  71-73
  3.6 辅助电路设计  73-76
    3.6.1 预采样电路  73-74
    3.6.2 电压抬升电路  74-75
    3.6.3 电平转换电路  75-76
  3.7 SARADC 的整体仿真  76-77
  3.8 本章小结  77-79
第四章 版图设计  79-87
  4.1 版图设计注意事项  79-83
  4.2 版图设计结果  83-85
  4.3 本章小结  85-87
第五章 全文总结  87-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
攻读学位期间发表的学术论文  93-95

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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