论文部分内容阅读
低功耗无线传感节点被广泛应用于各种医疗电子、工业控制系统中。作为智能传感器节点电路的重要模块，低功耗的模数转换器的设计与研究有重大意义。相比其它类型的模数转换器，逐次逼近型模数转换器具有结构简单、面积小、功耗低、数字化程度高等优点。因此逐次逼近型模数转换器被广泛应用于低功耗传感节点电路中。 本研究主要内容包括：⑴对分段结构和C2C电容阵列结构进行建模，分析了寄生电容对这两种结构的线性度的影响，为DAC不同结构的选择指明方向。⑵对分段结构和C2C电容结构进行功耗分析，建立Matlab模型进行仿真，并总结了这两种结构电容阵列的动态功耗的变化与LSB位数（C2C和分段结构）的关系。提出了两种新颖的低功耗电容开关切换技术。与传统的电容开关技术相比，功耗得到大幅下降，同时总体的电容个数是传统结构的四分之一。⑶提出了一种新的动态比较器结构，通过在预放大器中加入PMOS耦合交叉对，增大了预放大器的增益，从而等效输入噪声得到降低。同时，降低了后置的锁存器的设计要求。⑷提出了一种全新的逐次逼近型模数转换器的数字逻辑电路。通过采用一系列偏置延时单元产生ADC的采样和转换的每个主时钟脉冲，在使用相关数字逻辑电路产生比较器以及DAC电容阵列的开关控制信号。该逻辑电路使得本设计中的ADC可以针对不同的工作环境切换工作模式。⑸提出了一种改进型高精度和低精度结合超低功耗的逐次逼近型模数转换器结构。通过低精度的ADC预置高精度ADC的高两位，降低了总体DAC部分的动态功耗。其中低精度的ADC采用两个简单的带失调的锁存器构成比较器，给低精度ADC加入了冗余，解决了高精度和低精度的失配问题。同时DAC采用顶板采样，仅用9比特电容阵列实现了10比特的精度。为了进一步降低功耗，DAC阵列采用二进制和C2C混合结构并结合Splitting与Monotonic的电容开关技术。采用以上提到的技术的ADC通过传统的180nm工艺进行流片验证。芯片的测试结果表明:该10比特低功耗逐次逼近型模数转换器在200KS/s的采样率下，有效位为9.05比特，功耗仅为200nW，FOM值仅为1.88fJ/conv-step。⑹提出了一种新的高精度Incremental和逐次逼近型结合的模数转换器模型。该模型结合了Zoom和Extended-counting的技术，降低内部信号的摆幅的同时，实现较低的过采样率，同时降低了内部电路的设计难度。该模型包括了运算放大器、电容失配、噪声等不理想因素，经过仿真，其信号噪声失真比达到90dB以上。