论文总字数:64669字
摘 要
随着数字系统越来越多地应用于生产生活中的各个方面,与数字系统一道,在数字系统当中作为模拟与数字信号接口的模数转换器也在速度与功耗方面被提出了更高的要求。逐次逼近型模数转换器由于其结构简单,数字化程度高、功耗低等特性而被广泛应用于高速低功耗的应用场合。因此,对于低功耗模数转换器的关键技术进行研究具有重要的意义。本文对于开关电容阵列这一逐次逼近型模数转换器的关键模块进行了研究,并对其针对低功耗设计的多种开关电容结构进行了功耗分析与建模。
本文以低功耗的SAR ADC开关电容阵列结构为着眼点,根据普遍性的低功耗设计原理,总结了SAR ADC关键技术设计当中所对应的低功耗设计要点,并根据文献分析了各低功耗开关电容阵列结构的关键点。采用了一种新的三段法计算方案,对于多种低功耗开关电容阵列的功耗进行了分析、计算与建模,该方案能够更系统更简明地计算得到各开关电容阵列方案的功耗情况。此外,基于文献和计算过程与结果,对于常见的多种低功耗开关电容阵列结构方案进行了功耗与结构分析,并基于分析与计算结果,对于各方案的功耗进行了对比。
关键词:低功耗 逐次逼近 模数转换器 功耗分析
Abstract
Nowadays, as digital systems are more and more widely used, the analog-to-digital converters (ADC), used as the interface between analog and digital domains, are also placed higher demands on speed as well as power-efficiency together with digital system. Because of its simple structure, highly digitalized nature and low power consumption, successive approximation register analog-to-digital converters (SAR ADCs) are widely used in high-speed and low power consumption situations. So, it is meaningful to study the key technology of SAR ADCs. This thesis is mainly about the study of the switching capacitor array, the key module of SAR ADC, and the modeling and analyzing results of several low-power consumption switching capacitor array structures.
This thesis will summarize the principles used on the design of low-power consumption switching capacitor array based on the general principles of low-power consumption circuit design, and show the key points of several low-power consumption structures using their original documentations. And it will also analyzes those low-power consumption structure by using a new three-part-divided method to modeling and calculate those structures` power consumption in order to make the calculation more clearly and systematic. Furthermore, this thesis also discusses those low-power consumption structures, and make comparations on those issues based on documentations, the analysis procedure and calculation results of those power consumption results.
KEY WORDS: low-power consumption, successive approximation register, analog-to-digital converters, power consumption analysis
目 录
摘要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 当前逐次逼近型模数转换器低功耗关键技术研究现状 3
1.3 本课题的主要研究内容与相关章节安排 4
第二章 SAR ADC结构、工作原理与低功耗电路设计相关概念与要点 5
2.1 SAR ADC的组成模块与工作原理 5
2.2 SAR ADC的典型结构 6
2.3 低功耗电路设计的相关概念与要点 8
第三章 低功耗开关电容阵列结构的功耗分析与计算 11
3.1 低功耗设计原理在SAR ADC低功耗化开关电容阵列设计当中的应用简述 11
3.2 传统结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗分析 13
3.3 隔离电容结构与最高位电容拆分结构模数转换器开关电容阵列功耗分析 19
3.4 单调结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗分析 21
3.5 改进型单调结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗分析 27
3.6 基于VCM结构的逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗分析 33
3.7 三电平开关结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗分析 39
3.8 改进型双电容阵列结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗分析 46
第四章 各低功耗开关电容阵列结构的功耗与系统适配性分析 57
4.1 各转换方案开关电容阵列功耗对比 57
4.2 传统结构、隔离电容结构与最高位电容拆分结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列系统功耗与适配性分析 59
4.2.1 传统结构开关电容阵列系统功耗与适配性分析 59
4.2.2最高位电容拆分结构与隔离电容结构开关电容阵列功耗与适配性分析 60
4.3 单调结构与改进型单调结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗与适配性分析 60
4.4 基于VCM的结构和三电平开关结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗与适配性分析 61
4.5 改进型双电容阵列结构逐次逼近型模数转换器开关电容阵列功耗与适配性分析 62
第五章 总结与展望 63
5.1 论文主要工作总结与论文主要创新点 63
5.2 未来工作展望 63
参考文献 64
致 谢 66
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景
随着集成电路工艺的不断发展与进步,电路当中所采用的晶体管尺寸不断减小,其集成度与单个芯片上的晶体管数量也随之呈几何级数地增长。集成电路工艺的这一发展极大地推动了数字系统以及与之配套的数字信号处理的发展,带动了数字系统在包括国防、工业、医疗、个人娱乐等各领域的广泛应用。尽管随着工艺的发展,模拟电路的性能也得到了相应的提升,但由于模拟电路在高频下存在诸多非线性因素与失配可能,且低电压低增益情况下其电路性能提升受到限制[1],同时其功率相较于数字电路更高,越来越多的集成电路设计当中采用更少的模拟电路模块进行设计,使得电路的数字化程度不断提高。
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