低功耗逐次逼近模数转换器的研究与设计

低功耗逐次逼近模数转换器的研究与设计StudyandDesignofLow-powerSuccessiveApproximationAnalog-to-digitalConverter(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：电子工程系学科：电子科学与技术研究生：指导教师:两低功耗逐次逼近模数转换器的研究与设计孙彤毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：摘要逐次逼近模数转换器（ADC）具有中等转换精度和中等转换速度，采用CMOS工艺实现可以保证较小的芯片面积和低功耗，而且易于实现多路转换，在精度、速度、功耗和成本方面具有综合优势，被广泛应用于工业控制、医疗仪器以及微处理器辅助模数转换接口等领域。论文工作设计了一个电源电压为2.5V，精度为12位，速度为500kS/s的低功耗逐次逼近ADC。电路采用单端轨到轨输入，并具有省电模式。研究工作主要分为三个部分：①研究设计了一个分段电容式数模转换器（DAC），高端低端各6位，共有128个单位电容，减小了芯片面积，降低了动态功耗，而且高3位采用温度计编码，保证了DAC高位的单调性；分段电容阵列的版图采用共中心的对称布局，以提高电容的匹配精度。②对多级结构比较器进行了研究设计。比较器由三级前置放大器和一级锁存器组成，根据每级前置放大器的位置不同，对它们的增益、带宽、功耗进行了优化，每级前置放大器和模拟缓冲级电路的设计也减小了回程噪声的影响；比较器的设计应用了失调校准技术。仿真结果显示，该比较器可以有效消除10mV输入失调，能够在10MHz速度下分辨0.2mV输入电压，功耗只有600uW，达到了设计要求。③对控制电路进行了研究设计。采用分模块设计方法，使用verilog-HDL描述、自动综合、布局布线生成，能够控制模拟部分完成逐次逼近过程，并可以根据片选信号时间长短控制芯片进入省电模式或者工作模式。论文工作在完成ADC电路设计仿真的基础上，完成了整个电路的物理版图设计、后仿真及芯片的测试。该逐次逼近ADC采用UMC0.18um混合信号CMOS工艺设计制造，芯片面积为1.4mm×1mm。实测结果显示，在500kS/s下，其SNDR为63.13dB，即ENOB为10.5位，|DNL|小于2LSB，|INL|小于4LSB，功耗为1.2mW。关键词：逐次逼近模数转换器数模转换器比较器AbstractSuccessiveapproximationanalog-to-digitalconverters(ADCs)havemediumresolutionandmediumspeed,smallchipareaandlowpowerconsumptioncanalsobeachievedinCMOSprocess.Moreover,itisconvenienttomakemulti-channelconversion.Duetotheirmixedadvantagesinresolution,speed,powerandcost,successiveapproximationADCsarewidelyappliedinindustrycontrolling,medicalinstruments,auxiliaryanalog-to-digitalinterfacesofmicro-processorsandsoon.A2.5V,12bit,500kS/slow-powersuccessiveapproximationADCisdesignedinthisthesis,whichadoptssinglerail-to-railinputandhaspower-downmode.Studyworkcanbecategorizedinto3parts:①Asegmentedcapacitivedigital-to-analogconverter(DAC)isdesignedwith2separated6-bitarrayswhichconsistof128unitcapacitorsinall,resultinginsmallerchipareaandlowerdynamicpower.Moreover,thermometercodingisappliedtothetop3bits,ensuringtheDAC’smonotonicity.Commoncentroidgeometryisintroducedinthelayouttoimprovematchingproperty.②Amulti-stagecomparatorisdesigned,whichiscomposedof3pre-amplifiersandalatch.Eachpre-amplifierisoptimizedaccordingtoitsposition,thedesignofthemandtheanalogbufferhasalreadytakenkickbacknoiseintoconsideration.Anoffsetcancellationtechniqueisappliedtoo.Simulationresultsshowthat,theproposedcomparatorcandistinguish0.2mVinputwith10mVoffsetat10MHz,whileitspoweris600uW.③Thecontrolcircuitisdesignedinseveralmodules,whichisdescribedinverilog-HDL,synthesized,placedandroutedautomatically.Thisdigitalblockcoordinatesanalogcircuitstofinishthesuccessiveapproximation,andswitchesthechipintopower-downmodeorworkmode.Aftercircuitdesignandsimulation,thephysicallayoutdesign,post-simulationandchipmeasurementarealsofinished.TheproposedADCisdesignedandfabricatedinUMC0.18umMixedModeCMOSprocess,occupying1.4mm×1mm.Measurementresultsshowthat,itsSNDRachieves63.13dBat500kS/s,thusENOBis10.5bit,and|DNL|islessthan2LSB,|INL|islessthan4LSB,withoverallpoweronly1.2mW.Keywords:successiveapproximationADCDACcomparator目录第1章引言11.1选题背景及意义11.2研究工作主要内容21.3论文各部分主要内容3第2章逐次逼近ADC概述42.1逐次逼近ADC的工作原理42.2逐次逼近ADC的典型结构52.2.1电压定标型逐次逼近ADC52.2.2电流定标型逐次逼近ADC72.2.3电荷定标型逐次逼近ADC82.2.4其他结构逐次逼近ADC132.3逐次逼近ADC的研究现状13第3章DAC的研究与设计153.1DAC结构的选择153.2分段电容DAC的工作原理153.3分段电容DAC的电路设计173.4分段电容DAC的版图设计223.4.1电容匹配精度223.4.2抑制干扰25第4章比较器的研究与设计254.1比较器的典型结构254.1.1运放结构比较器254.1.2Latch比较器264.1.3高速高精度比较器294.2比较器的失调校准304.3比较器的设计324.3.1比较器结构的选择324.3.2第一级运放的设计334.3.3第二、三级运放的设计354.3.4回程噪声的考虑394.3.5比较器系统设计414.4比较器的版图设计444.4.1抑制干扰454.4.2器件匹配46第5章数字控制部分的设计475.1POWERDOWN模块475.2CLK模块485.3TIMING模块485.4REGISTER模块485.5ENABLE模块495.6DAC_DEC模块495.7OUTPUT模块495.8上电模块50第6章数模混合仿真526.1数模混合仿真526.2芯片版图54第7章测试557.1实际芯片557.2测试平台567.3测试过程607.3.1静态指标测试607.3.2动态指标测试647.3.3功耗测量657.4测试结果66第8章总结与未来工作展望67参考文献68致谢与声明71个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果72第1章引言1.1选题背景及意义模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）将模拟信号转换成数字信号，是模拟系统与数字系统接口的关键部件，长期以来一直被广泛应用于雷达、通信、测控、医疗、仪表、图像和音频等领域。数字信号处理技术和通信产业的迅猛发展，推动着ADC逐步向高速度、高精度和低功耗的方向发展。逐次逼近ADC与其他几种ADC在精度和速度方面的对比如图1.1所示。高速度ADC的典型结构是Flash型ADC，高精度ADC的典型结构是∑-Δ型ADC，这两种结构分别在速度、精度方面具有绝对优势，在速度、精度两个垂直市场上得到了广泛应用。然而，在其他广阔的应用领域中，人们往往需要一种中等速度、中等精度、低功耗、低成本的ADC，逐次逼近ADC（SuccessiveApproximationADC）满足了这种需求，占据了广阔的水平市场。246810121416182022242610K100K1M10M100M1G10G100G1T逐次逼近ADCFlashADC两步ADC∑-ΔADC精度（bit）采样率（S/s）图1.1逐次逼近ADC与其他ADC在精度、速度方面的对比逐次逼近ADC具有中等转换精度（一般8～16位）和中等转换速度（一般5MS/s以下），采用CMOS工艺制造时可以保证较低的功耗和较小的芯片面积，而且易于实现多路转换，因此在精度、速度、功耗和成本方面具有综合优势，市场应用广泛。在工业过程控制方面，逐次逼近ADC的典型应用主要是用于放置在远端测量各种物理量的传感器[1][2][3][4]，这些利用了逐次逼近ADC的以下几个优势[5]：1、多种模拟输入范围（单极、双极、差分）；2、在开关、多通道应用中，能保证零数据延迟；3、精度与速度适中；4、功耗低、面积小。例如在传感器网络应用中，成千上万个传感器节点由1块电池或者几平方毫M的太阳能电池供电，这就要求每个传感器节点面积小、成本低，而且这些节点能够长时间工作，消耗能量很小[3]，逐次逼近ADC正好具有面积小、功耗低、成本低的优势。而在电机控制应用中，需要在同一时刻及时捕获多路模拟输入，完成三相电流和电压测量，这样在一个芯片上集成多个采样/保持电路的逐次逼近ADC就为这类应用提供了极大的便利。在医疗仪器方面，逐次逼近ADC广泛应用于成像系统，例如CT扫描仪、MRI和X射线系统。逐次逼近ADC具有零延迟、较高采样速率和较好DC指标等