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低功耗逐次逼近型ADC的设计与实现

作　者: 王飞
导　师: 朱健春
学　校: 武汉理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 模数转换器 逐次逼近 小尺寸 低功耗 CMOS集成电路
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


当今世界,数字信号处理技术发展越来越快,大多数的模拟信号处理被数字技术所取代。然而,在实际生活和自然界中,连续变化的模拟信号占据了绝大多数,而如何将模拟量转换成数字信号,这就需要通过模数转换器来实现。相对国外来说,我国的A/D转换器研究水平仍然很落后,大规模提供给设备生产商的更是很少。另外国内所研究ADC的架构,则大多体现了某一方面的优势,比如高速低分辨率,这些架构主要包括全并行、流水线等。对于低功耗、小尺寸的模数转换器则研究较少。因此,本文立足于此,研究并设计了一个中等精度、低功耗、小尺寸的ADC,弥补了国内在这方而的缺陷。本文采用自顶向下设计方法,设计了一个用于指纹识别系统的10位逐次逼近型A/D转换器。该转换器采用3.3V单电源供电,转换速率为300ksps。论文主要工作如下：(1)分析课题设计要求,采用逐次逼近型ADC作为系统方案。针对这一方案,提出了本次课题设计所面临的技术难点。(2)在采样/保持模块中,采用虚拟开关技术,这样降低了开关电荷注入效应所引起的输入输出电压值偏离；采用CMOS互补开关,既降低了开关的导通电阻,又减小了电阻输入信号的非线性,缩短了采样时间。(3)DAC模块采用了电荷分布和电阻分压组合式结构,这种结构的优点在于它绕过大电容或者大电阻引入的尺寸和匹配误差过大问题,而且电阻分压这种结构,它本身具有降低电路线性误差的功能,因此,组合式结构能够同时完成高精度和小芯片尺寸的要求。(4)电压比较器采用的是前置放大器加动态锁存器的结构,前置放大器具有低增益益、高带宽的特点,动态锁存器则响应速度快,并能够有效降低功耗,因此该电压比较器具有较低的回馈噪声、较快的响应速度和低功耗特点。在本设计中，采用了AMS0.35um混合CMOS工艺,使用Cadence IC设计工具，完成了电路结构和版图的设计,并使用Cadence Spectre工具对整个ADC进行了后仿真和结果分析。仿真结果表明,在300ksps下,其SFDR为73.06dB,ENOB为9.77位。整个ADC的功耗为1.75mW,版图面积为680um×350um。从仿真结果可以看出,该设计能够正确完成A/D转换,符合设计要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究状况  10-11
  1.3 研究内容  11
  1.4 论文安排  11-13
第2章 A/D转换器系统设计方案及关键技术研究  13-30
  2.1 A/D转换器基本特性  13-16
    2.1.1 基本工作原理  13-14
    2.1.2 A/D转换器性能参数  14-16
  2.2 A/D转换器架构选择  16-19
    2.2.1 全并行模数转换器  16-17
    2.2.2 流水线模数转换器  17-18
    2.2.3 逐次逼近型模数转换器  18
    2.2.4 各类型转换器比较  18-19
  2.3 关键技术分析  19-29
    2.3.1 采样/保持模块  20-25
    2.3.2 数模转换模块  25-28
    2.3.3 比较器模块  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章 逐次逼近型A/D转换器的电路设计与仿真  30-52
  3.1 采样保持电路设计与仿真  30-34
    3.1.1 采样保持电路设计  30-32
    3.1.2 采样保持电路仿真  32-34
  3.2 数模转换器设计与仿真  34-42
    3.2.1 数模转换器电路设计  34-39
    3.2.2 数模转换器电路仿真  39-42
  3.3 比较器设计与仿真  42-47
    3.3.1 比较器电路设计  42-46
    3.3.2 比较器电路仿真  46-47
  3.4 逐次逼近寄存器设计与仿真  47-50
    3.4.1 逐次逼近寄存器电路设计  48-50
    3.4.2 逐次逼近寄存器电路仿真  50
  3.5 本章小结  50-52
第4章 版图设计与系统仿真  52-62
  4.1 版图设计  52-55
    4.1.1 整体布局  52-53
    4.1.2 DAC的版图设计  53-55
    4.1.3 比较器的版图设计  55
  4.2 系统仿真  55-61
    4.2.1 整体功能仿真  56-57
    4.2.2 静态特性仿真  57-58
    4.2.3 动态特性仿真  58-59
    4.2.4 功耗分析  59-60
    4.2.5 ADC总体性能  60-61
  4.3 本章小结  61-62
第5章 总结与展望  62-64
  5.1 论文工作总结  62-63
  5.2 未来研究工作的展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-67

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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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