低功耗逐次逼近型ADC的设计与实现

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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。
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