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低电压低功耗逐次逼近模拟数字转换器电路技术

作　者: 玻梅
导　师: 杨华中
学　校: 清华大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 模数转换器 延迟单元 低电压 低功耗 时域比较器
分类号: TN792
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


低电压低功耗模拟数字转换器是无线传感器网络节点的重要组成部分。无线传感器网络节点的体积和使用时间均受限于为节点供电的电池。低电压低功耗电路技术使可随处部署的无缝衔接的无线传感器网络成为可能,在此网络中希望每个传感器节点的功耗小于100微瓦、成本小于1美元、体积小于1立方毫米并能够从周围的环境中获取能量。因此,需要优化节点内的每个模块。随着CMOS工艺特征尺寸的减小,电压幅度和晶体管的固有的增益也在不断的减小。这个趋势给模拟电路和混合电路设计带来了更大的挑战。很多原有的模拟电路模块将不再适用,因此需要设计适应CMOS工艺发展趋势的新电路模块,。本论文研究和使用大量数字化的电路技术来实现应用于无线传感器网络的低电压低功耗逐次逼近模数转换器,本文的主要贡献如下:本论文提出了一种基于电压比较器的模数转换器电路。该轨到轨比较器采用并行互补结构的感应放大器,使输入幅度可以接近电源电压,从而增大了动态范围。提出了一种正反馈技术,采用该技术可以实现快速、高能效的再生锁存器,并将其用于比较器的设计中。仿真结果表明该转换器在0.8V电源电压下,能够达到250KS/s的速度,功耗约为1.35微瓦。该模数转换器的FoM为34fJ/conversion.step。第二种模数转换器使用了一种时域比较器。该比较器采用了具有自动定时,电压预置和时钟控制反相器模块的电压-时间转换器,显著提高了比较器的速度和功耗效率。该比较器还采用了一种新的全差分对称的时间-数字转换器。流片后的芯片测试结果表明,此种模数转换器在0.8V电源电压100KS/s的采样率下,功耗为1.92微瓦,有效位数为8.6位,FoM为48fJ/conversion-step。第三种模数转换器使用了一种基于新的全差分时域比较器的电路结构,一种新的高能效、低复杂度的电容阵列开关技术和一个灵活的电平移位器。仿真结果表明该模数转换器可以工作在0.6V的电源电压下,同时在100KS/s采样率下,功耗为1.85微瓦,有效位数为9.6位, FoM为21.1fJ/conversion-step。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
CHAPTER 1 Introduction  11-16
  1.1 Motivation  11-14
  1.2 Dissertation contributions and scope  14
  1.3 Dissertation overview  14-16
CHAPTER 2 Low-voltage low-power ADC design issues  16-51
  2.1 Impact of CMOS scaling  16-27
    2.1.1 Digital circuits  18-19
    2.1.2 Analog circuits  19-27
  2.2 Low voltage strategies  27-30
    2.2.1 Rail-to-rail inputs  27
    2.2.2 Clock boosting and bootstrapping  27-29
    2.2.3 Voltage level shifting  29-30
  2.3 Low power strategies  30-31
    2.3.1 Dynamic operation  30
    2.3.2 Time-based analog processing  30-31
    2.3.3 Charge-based analog processing  31
  2.4 Analog-to-digital converter fundamentals  31-48
    2.4.1 ADC specifications and performance metrics  31-38
    2.4.2 Flash-based ADCs  38-40
    2.4.3 Delta-sigma ADC  40-41
    2.4.4 Integrating ADC  41-42
    2.4.5 Successive Approximation Register ADC  42-48
  2.5 Major SAR ADC design trends  48-50
    2.5.1 Asynchronous Design  48-49
    2.5.2 Multi-bit/step Designs  49
    2.5.3 Calibration  49
    2.5.4 Highly digital design  49-50
  2.6 Summary  50-51
CHAPTER 3 Design and analysis of a 0.8V 1.35μW voltage-based ADC  51-68
  3.1 System Considerations  51-53
  3.2 Voltage-based comparator  53-60
  3.3 Capacitor array considerations  60-63
  3.4 Sample and hold stage  63-65
    3.4.1 SAR logic  65
  3.5 Simulation results  65-67
  3.6 Summary  67-68
CHAPTER 4 Prototype of 0.8V 1.92μW Time-based ADC  68-105
  4.1 System level considerations  68-71
  4.2 Time-based signal processing circuits  71-81
    4.2.1 Voltage-to-time conversion  72-75
    4.2.2 Speed of VTC  75-77
    4.2.3 Energy consumption  77-78
    4.2.4 Supply voltage  78
    4.2.5 Time-to-digital conversion  78-79
    4.2.6 Sources of error  79-81
  4.3 Time-based SAR ADC circuit implementation  81-95
    4.3.1 Time-Based Comparator Design  81-87
    4.3.2 Digital-to-analog converter  87-92
    4.3.3 Control logic and SAR  92-93
    4.3.4 Low to high voltage level shifter  93-94
    4.3.5 Switch and switch-driver  94-95
  4.4 Experimental results and characterization  95-102
    4.4.1 Test system setup  95-97
    4.4.2 Static performance  97-98
    4.4.3 Dynamic performance  98-101
    4.4.4 Power consumption  101-102
  4.5 Performance summary and comparison  102-104
  4.6 Summary  104-105
CHAPTER 5 Fully di?erential 0.6V 2μW time-based ADC  105-117
  5.1 System level considerations  105-107
  5.2 Fully differential time-based comparator  107-109
  5.3 Fully differential energy efficient DAC  109-114
  5.4 Flexible voltage level shifter  114-115
  5.5 Simulation results  115-117
    5.5.1 Performance summary and comparison  116-117
CHAPTER 6 Conclusion and future work  117-121
  6.1 Summary  117
  6.2 Original contributions of this dissertation  117-118
  6.3 Suggestions for Future Work  118-121
    6.3.1 DAC/comparator combo  118-119
    6.3.2 Capacitor array DAC improvement  119-120
    6.3.3 Fully differential ADC fabrication  120-121
LIST OF FIGURES  121-125
LIST OF TABLES  125-126
LIST OF EQUATIONS  126-130
REFERENCES  130-141
致谢  141-142
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  142-143

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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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