【摘 要】
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作为连接现实世界与数字世界的桥梁,模数/数模转换器在现代技术体系中扮演着不可或缺的角色。目前,在无线通讯、手提电话、个人电脑、硬件存储等领域,相关的芯片设计在功耗、面积等方面有着很高的要求。这就推动了模数转换器芯片向着更低功耗、更小面积的方向发展。同时,根据奈奎斯特定律,输入的信号频率越高,模数转换器的采样率也要越高（Fs≥2*Fin）。也就是说,在保证更低功耗、更小面积的前提下,转换器的采样频率
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作为连接现实世界与数字世界的桥梁,模数/数模转换器在现代技术体系中扮演着不可或缺的角色。目前,在无线通讯、手提电话、个人电脑、硬件存储等领域,相关的芯片设计在功耗、面积等方面有着很高的要求。这就推动了模数转换器芯片向着更低功耗、更小面积的方向发展。同时,根据奈奎斯特定律,输入的信号频率越高,模数转换器的采样率也要越高（Fs≥2*Fin）。也就是说,在保证更低功耗、更小面积的前提下,转换器的采样频率也需要不断提高,以适用于更多的应用场景。本文设计不同于传统模数转换器架构,而是采用了逐次逼近型与斜波型的混合架构方式,实现了低功耗、高精度、中高速的设计目标。其中,逐次逼近型模数转换器的主要缺点在于其动态比较器,为了满足噪声的要求,输入管的面积和电流消耗会很大;而斜波型模数转换器在速度上存在缺陷,因为在转换精度（即LSB）—定的情况下,输入的电压范围越大,所需要的转换时间也就越长。采用混合架构的方式很好地弥补了上述两者的缺点。其整体工作分为两部分,以逐次逼近型工作方式完成高位转换,从而降低了对于动态比较器的噪声要求,以斜波型工作方式完成低位转换,从而极大地减小了其输入范围,提高了转换速率。除此以外,本文设计中的电容阵列采用了冗余排列方式,进一步降低了转换时间,并提高了模数转换器的抗干扰能力。本文设计采用28nm HPC CMOS工艺,实现了分辨率12位、采样率31.25MS/s的模数转换器,设计的最终优值（FOM）为1.6fJ/conversion-step,在功耗方面优势明显。同时,为了解决电容阵列失配造成转换器性能恶化的问题,本文还提出了一种应用于冗余阵列的模拟前台校准方式,该校准方式使得有效位数提高了1位,INL/DNL从原本的±2.3/±1.2LSB改善到±0.7/±0.5LSB以内,实现了高精度的设计目标。
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