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低功耗循环结构模数转换器（CyclicADC）的优化设计

作　者: 李鹏
导　师: 赵毅强
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 红外读出电路 Cyclic ADC 消失调技术 RSD编码
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

红外成像技术的发展有着悠久的历史,在工业、生活、医疗、军事等很多领域发挥着重要的作用。其中,红外焦平面CMOS读出电路由于工艺上的兼容性和低功耗特性,发展为红外探测的重要方向和关键技术。90年代之后,ADC的集成使CMOS集成电路向着大面阵、低功耗、数字化和智能化的趋势发展。本论文探讨一款应用于“长线列红外探测器读出电路芯片”的ADC设计,是在传统结构上的改进设计。结合系统整体要求和传统结构中遇到的问题,对ADC子电路结构进行了改进,并在设计指标上做出提高,最终设计一款精度为10 bit,转换速率为250 KHz的循环结构模数转换器(Cyclic ADC)。由于系统对ADC提出低功耗的要求,而速度精度要求适中,所以在系统上选择Cyclic ADC的架构,通过单级循环转换的方式来降低器件数量,从而降低功耗,减小版图面积。同时采用RSD的编码方式,使ADC增强对比较器阈值偏差的克服能力。具体电路设计之前,通过系统仿真验证了ADC整体架构的可行性,并对子模块结构的选取,进行了数学上的论证,也通过系统仿真确定了不理想因素对ADC整体性能的影响,相对于传统结构,给出了各子电路新的设计指标。最后在Cadence中完成了MDAC、运算放大器,比较器,时钟产生电路和数字校正模块的设计。这里,采用了新的MDAC结构(减少电容数量),增加了消失调技术,重新设计运算放大器,同时也采用了新的比较器结构,降低了比较器的失调误差。在Chartered 0.35μm工艺下,对ADC整体性能进行了仿真。结果显示ADC各项指标为:信噪比(SNR)61.1dB;有效位(ENOB)9.8位以上,总谐波失真(THD)67 dB,平均功耗低于1.2 mW(3.3V供电,250 KSPS),最终达到设计要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 设计背景  7
  1.2 红外探测及红外读出电路的发展  7-9
    1.2.1 红外探测  7-8
    1.2.2 红外读出电路  8-9
  1.3 系统要求与论文结构  9-13
    1.3.1 系统要求  9-11
    1.3.2 论文结构  11-13
第二章 ADC概述  13-20
  2.1 ADC的基本概念  13-14
  2.2 ADC结构分类  14-18
    2.2.1 Flash ADC  14-15
    2.2.2 Two-step ADC  15-16
    2.2.3 Pipeline ADC  16-18
  2.3 ADC的各项指标  18-20
第三章系统结构  20-35
  3.1 RSD算法介绍及分析  20-24
    3.1.1 算法简介  20-22
    3.1.2 比较器阈值偏差  22-23
    3.1.3 环路失调误差和环路放大增益  23-24
  3.2 传统RSD编码Cyclic ADC的实现  24-29
    3.2.1 整体结构  24-27
    3.2.2 仿真和测试结果  27-28
    3.2.3 提出问题  28-29
  3.3 改进的RSD编码Cyclic ADC系统结构  29-35
    3.3.1 MDAC的结构和工作原理  29-34
    3.3.2 失调电压的消除  34-35
第四章建模仿真  35-47
  4.1 Cyclic ADC整体的行为仿真  35-41
  4.2 MDAC的动态仿真  41-47
第五章电路设计和仿真结果  47-65
  5.1 运算放大器  47-52
  5.2 比较器  52-56
  5.3 时钟产生电路  56-57
  5.4 数字校正模块  57-59
  5.5 ADC的仿真  59-65
    5.5.1 ADC的测试原理  59-63
    5.5.2 仿真结果  63-65
第六章总结与展望  65-66
参考文献  66-69
发表论文和参加科研情况说明  69-70
致谢  70

低功耗循环结构模数转换器（CyclicADC）的优化设计

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