基于压控延迟线与旁路逻辑的低压SAR ADC

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随着便携式、可穿戴智能设备和医疗电子的发展,对收集数据的传感器要求越来越高。这些传感器需要很长时间不间断工作,实时收集人体或周围环境数据,转换成数字信号并传输给DSP系统。而ADC作为外部模拟信号到DSP可处理的数字信号中间的纽带,是传感器中最重要的一环。这些ADC工作在100KHz~1MHz的中低频率,拥有10~12位中精度。传感器通常是由电池或能量收集型系统供电,并且希望在不维护的情况下能够有尽可能长的工作寿命,这就要求传感器中的ADC能够适应极低的工作电压并且有极低的功耗。针对这些要求,本文在65nm CMOS工艺下设计了一款低压低功耗10bit逐次逼近型模数转换器。首先,针对低压下传统电压域比较器存在判断时间过长,功耗占比变大的问题,本文提出一种新的压控延迟线比较器替代电压比较器。这种新的压控延迟线通过改变延迟级数的办法将传统压控延迟线扩展为双精度模式压控延迟线比较器,从而在保证精度的情况下降低功耗,并且通过折叠的办法降低MOS栅极电容对DAC电容阵列的影响。其次,针对生物信号等频率较低的输入信号,本文提出使用时域旁路逻辑控制的方式直接跳过不必要的转换周期。并针对压控延迟线的输出设计了一种能够对时域信号进行检测的时域阈值检测模块。这个模块将根据压控延迟线的输出判断能否将中间的转换位旁路。再次,针对上述的检测模块的PVT变化和比较器双精度模式失调电压不同的问题,本文提出一种利用复位阶段进行校准的方案。通过校准时域阈值检测模块的延迟单元,能够同时校准检测模块的PVT变化和低精度模式比较器的失调电压。根据上述的方案,本文在65nm工艺下设计了一个工作在0.5V电压下的10比特SAR ADC。其采样频率为625KS/sample,无杂散动态范围(SFDR)为72.85dB,信噪失真比(SNDR)为61.52dB,有效位数为9.93bit,功耗为0.917uW,FoM优值为1.503fJ/Conv.-s。
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