高精度噪声整形SAR ADC的研究与设计

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ljkstar007
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在传统结构的模数转换器(ADC)中,逐次逼近型(SAR)ADC结构简单,数字电路占比较高,功耗较低,但由于受到量化噪声、比较器噪声等非理想因素的限制,很难达到高分辨率。而Sigma-Delta ADC受益于调制器中过采样和噪声整形的使用,实现了高精度,但调制器中使用较多运放导致功耗较高。噪声整形SAR ADC作为SAR ADC和Sigma-Delta ADC的混合架构,分别结合了二者的优势,以较小的功耗实现了较高的精度,近年来吸引许多关注。根据电路中噪声整形模块的实现方式不同,噪声整形SAR ADC可分为有源和无源两种类型。有源噪声整形利用运放可实现效果好的噪声传递函数(NTF),对ADC精度的提升更为显著,但功耗较高,且整形效果受PVT的影响较大。无源噪声整形仅使用开关电容实现积分,结构简单,功耗较低且PVT稳定性好,但由于不能像有源积分器那样提供增益,噪声整形效果较弱。此外,为了构建效果更好的NTF,可能会使用较多的开关电容而引入较多不可被整形的k T/C噪声,限制了ADC精度的提升。因此如何设计噪声整形模块的电路成为本文研究重点。本文提出一种实现2倍无源增益的噪声整形SAR ADC电路,避免比较器输入端提供增益,且实现无源电压求和,取消多输入比较器的使用,一定程度上降低了比较器的噪声和功耗。噪声整形模块仅包括6个开关和2个电容,额外引入的k T/C噪声较小,删除残差采样模块避免了采样通路上的信号衰减,构建的NTF有一个接近1的零点和一个极点,对低频噪声的抑制效果较好,有效提升了ADC的信噪比。此外,采用较小的过采样比提高了ADC的带宽。本文设计的噪声整形SAR ADC电路基于65nm CMOS工艺,采用10位SAR ADC架构,仿真结果为,在采样率33.3MS/s、带宽2.08MHz、输入电压1.2V的情况下,有效位数达12.4位,功耗为459μW,Fo MS为172.5d B。该仿真结果表明,本文设计的电路有效提高了SAR ADC的精度,且带宽达到MHz,整体达到较高能效。
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