低功耗逐次逼近型模数转换器的研究与设计

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随着科学技术的不断发展,物联网逐渐出现在人们的视野并且变的愈加重要,物联网是基于互联网基础上可以纵向延伸和横向扩展的网络。世界经历了工业时代,PC互联网时代,移动物联网时代,到现在的物联网时代,可见物联网已经成为当今社会的主流。传感器是能够将自然界信号转换成电学信号的器件,是整个物联网系统信息的来源,模数转换器(Analog-to-digital Converter,ADC)是传感器中重要组成部分。市面上有很多不同的应用场合决定了模数转换器的要求不一样,如需要瞬态数据处理,则需要高采样速率的ADC,如用于精细的仪器仪表,则需要精度高的ADC,然而可穿戴式智能设备(如智能手表,智能手机,智慧家居)的快速发展又要求设备小巧轻便,因此ADC也必须拥有体积小,功耗低,性能高等一系列特点,于是低功耗的ADC符合现代智能设备的需求。如今针对智能设备的大规模市场,本文设计一款10位低功耗的逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)模数转换器。本文首先对市面上常见的ADC的最佳应用场合进行介绍,得出本文设计的逐次逼近型模数转换器最适应用于当今时代可穿戴智能设备,医疗器械领域的结论。基于该研究背景,介绍ADC的静态、动态两种设计指标,利用这些理论基础设计一款低功耗的SAR ADC,并分析影响SAR ADC功耗和精度的因素:(1)电容阵列总电容值(2)比较器的结构(3)逻辑控制部分的切换方式。并对其改进以达到降低功耗的效果。本文使用SMIC 180 nm工艺,基于Cadence virtuoso IC615进行芯片电路的设计和仿真。本文设计了一种新型带桥电容分段式电荷型DAC结构,同时采用了新型二级全动态比较器以达到降低功耗的目的。本设计为10位SAR ADC,其工作电压为1.2V,采样频率为3MS/s,仿真结果表明,ADC的SFDR为78d B,SNDR为60d B,其能达到9.67bit分辨率,且功耗仅为0.061m W,品质因数可以达到24.1f J/conv-step,芯片已完成流片,芯片面积为0.2mm2。
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