论文部分内容阅读
在电子系统中,通常需要模拟与数字信号的转换,因此模数转换器是不可或缺的重要模块,而在低功耗的大趋势下,对模数转换器的功耗要求也越来越高,尤其是低功耗模数转换器,它在手持设备、汽车电子等领域有重要的应用。本文针对低功耗模数转换器的设计原理进行研究和分析,设计了一款低功耗、中等精度的循环型模数转换器(Cyclic ADC),详细阐述了系统结构、关键模块电路的分析和设计。该低功耗循环型模数转换器的精度为10位,采样速度为2MS/s,重点讨论了子模数转换器(Sub-ADC)和余量增益数模转换器(MDAC)的结构和工作原理。本文首先简要介绍了模数转换器的应用及国内外发展现状,提出了评价模数转换器性能指标的参数,包括静态参数和动态参数。然后讨论了模数转换器的主要架构类型。接着详细分析了循环型模数转换器的结构和工作原理,对其中的主要功能模块做了详细的分析,分析了不同比较器的优缺点和失调消除方法；阐述了低失真CMOS模拟开关的工作原理和电路实现,引入辅助电路消除与输入电压相关的高阶项来降低谐波失真的方法；介绍了高精度基准源的设计思路。接着介绍了采样保持电路的结构和工作原理,分析各种误差和非理想效应,以及构成采样保持电路的运算放大器。从采样保持电路的性能角度分析了运算放大器所要满足的性能指标。然后比较了不同类型运算放大器的优缺点,从折中的角度选取带有增益自举的共源共栅结构,实现高速高增益的目标,基于gm/Id法来选择各个MOS管的尺寸和偏置,仿真结果表明该运算放大器满足性能要求。最后介绍了MDAC电路的结构和工作原理,分析级间增益误差的来源和消除方法,阐述了电路的具体实现方法,讨论了MDAC电路的噪声引入的误差。本文研究的10位2Ms/s的循环型模数转换器,采用TSMC的0.18gm单层多晶六层金属的CMOS工艺实现,在1.8V电源电压下的功耗为2.2mW。测试结果表明,输入906.25KHz的正弦信号,无杂散动态范围(SFDR)为67.78dB,信号噪声失真比(SNDR)为59.66dB,有效位数(ENOB)为9.61位；输入100.58kHz的正弦信号,SFDR为80.28 dB, SNDR为61.87 dB, ENOB为9.98位。仿真结果表明本文所设计的ADC满足低功耗和高有效位数的设计要求。