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一款16位模数转换器的设计

作　者: 李大刚
导　师: 李平；崔自中
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 逐次逼近 模数转换 电容阵列 电荷重分布 误差校准
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本论文的目标是16位逐次逼近型模数转换器(Analog-to-Digital Converter,简称ADC)芯片的前端设计和研究。随着计算机技术、信号处理技术和微电子技术的迅速发展,不断涌现出新的先进的电子系统。这些系统可广泛地应用于处理连续时间信号,包括语音、声音、医学成像、雷达、仪器仪表、消费电器、远程通讯等。由于数字集成电路技术的迅猛发展带来了前所未有的高复杂信号的处理能力,所以人们希望把模拟信号转换为数字信号来处理,最后再转换为模拟信号。在比较了各种ADC的结构和优缺点之后,综合考虑到转换速率、精度和功耗等方面的因素,本文采用逐次逼近型(successive-approximation)的结构。随着转换精度即位数的提高,大部分基于电容的逐次逼近型ADC都需要很大的电容,这将使得芯片面积非常巨大。另外这些大电容还将大大限制芯片的工作速度。本文所设计的带分压电容的电荷重新分布数-模(D/A)结构,使其中D/A转换器电容面积比传统结果大大减少,进而减轻电容占绝大部分芯片面积所带来的困扰。本文主要包括电路设计与仿真以及版图的实现等工作。本文侧重于其中的关键单元如电荷重新分布D/A、低失调比较器、误差校准电路以及最后的版图设计和验证等等。另外,在模拟数字混合信号单芯片实现过程中,混合电源噪声、串扰以及电路的非理想特性,工艺偏差等等都是限制转换器精度的关键因素,所以在电路设计和最后的版图布局都对它们进行了认真考虑。文中所述结构的逐次逼近型ADC在0.6um Bi-CMOS工艺下实现了单芯片设计。转换时间为5us。整个芯片在5伏电源、200KHz时钟频率下的功耗为100毫瓦。较好地实现了设计目标和要求。在第2章中,介绍了ADC的原理、各种类型和性能指标,并对各种结构的ADC进行了一些比较;文章第3章提出要设计的ADC的指标,并就逐次逼近(SAR)ADC转换器原理和电荷重新分布ADC的工作过程进行了描述;第四章对ADC中主要的电路比较器、子DAC和误差校准电路的设计进行了具体的介绍,并给出部分仿真结果。第五章简要地介绍了版图设计方法和设计芯片版图时需要考虑的问题,并给出所设计ADC的主要模块的版图。第六章是对论文进行了总结。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 引言  9-14
  1.1 微电子技术的发展  9-10
  1.2 模数转换器  10-13
    1.2.1 ADC 的发展历史  10-11
    1.2.2 ADC 的应用  11-12
    1.2.3 ADC 的发展趋势  12-13
  1.3 本文的章节安排及主要内容  13-14
第二章 模数转换器原理  14-27
  2.1 模数转换器基础理论  14-20
    2.1.1 模数转换器的工作原理  14-16
    2.1.2 ADC 的主要性能参数  16-20
  2.2 ADC 的类型及特点  20-26
    2.2.1 积分型ADC  20-21
    2.2.2 逐次逼近ADC  21-22
    2.2.3 闪速ADC  22-23
    2.2.4 串并行ADC  23-24
    2.2.5 流水线型ADC  24-25
    2.2.6 Σ-Δ调制ADC  25-26
  2.3 几种ADC 的性能比较  26-27
第三章 逐次逼近式模数转换器系统设计  27-33
  3.1 ADC 结构的确定  27-30
    3.1.1 ADC 顶层电气规范  27-28
    3.1.2 SAR ADC 工作原理  28-30
  3.2 16 位SAR ADC 系统设计  30-32
    3.2.1 数字子系统设计  30-31
    3.2.2 模拟子系统设计  31-32
  3.3 小结  32-33
第四章 16 位SAR ADC 主要电路的设计和仿真  33-60
  4.1 比较器设计  33-53
    4.1.1 ADC 中的比较器  33
    4.1.2 锁存结构  33-35
    4.1.3 常用的比较器结构  35-38
    4.1.4 本设计中的比较器  38-53
  4.2 误差校准电路的设计  53-60
    4.2.1 电容匹配误差分析及校准  53-57
    4.2.2 校准电路设计  57-60
第五章 版图设计  60-66
  5.1 版图设计方案  60-63
    5.1.1 模拟数字电路布局  60-61
    5.1.2 电源和地问题  61-62
    5.1.3 保护环  62
    5.1.4 互连线考虑  62-63
  5.2 主要模块的版图设计  63-66
    5.2.1 数字校准电路  63-64
    5.2.2 开关电容阵列  64-65
    5.2.3 高性能比较器  65-66
第六章 结论  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-71
攻读硕士学位期间取得的研究成果  71-72
个人简历  72-73

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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