流水线逐次逼近混合结构模数转换器研究

Pipeline and Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter(SAR ADC) is widely used in electronic equipments. Due to the own characters and drawbacks of the two ADCs, the pipelined-SAR hybrid architecture ADC has been proposed to meet high resolution, high speed and high energy efficiency. Some new ideas are also proposed in this projects: a novel pipelined SAR hybrid architecture is proposed to meet the targets ; a novel digital calibration algorithm is proposed to increase the resolution; a Vcm-based split-capcitor DAC architecture used in SAR ADC is proposed to raise the energy efficiency and some novel circuits, such as comparator and full custom C2MOS register are proposed. Simulation and measured results show that all the proposed solutions are effective to realize the project targets.

流水线和逐次逼近结构模数转换器研究近些年得到了极大关注和发展。但每种结构都存在一些缺点，无法满足高性能低功耗的手持式设备的应用，因此，流水线逐次逼近混合型结构ADC逐渐成为研究热点。但目前的研究成果存在精度和转换效率不高的缺点。本项目通过实现一款高速高精度高转换效率低功耗混合结构ADC，研究两种ADC的缺点和不足，可以实现其它混合结构ADC提供思路。本项目提出创新点有：提出了新的混合结构ADC，可以同时满足高性能高能量转换效率低功耗的要求;提出了一种新的校准算法，提高了第一流水级的精度；提出了Vcm-based split-capcitor方案，降低了SAR ADC的功耗，提高了转换效率；对具体的电路模块提出了优化和创新，如比较器,全定制C2MOS触犯器等，来进一步提高ADC的性能。现有的仿真和流片结果显示，所提出的方案，效果良好，可以达到项目预期效果。

流水线和逐次逼近结构模数转换器研究因其各自的特点在一些领域有着广阔的应用，近些年得到了显著的关注和巨大的发展。为了进一步克服这两种结构本身的缺点，流水线逐次逼近混合型结构ADC逐渐成为研究热点。但目前的研究成果存在精度和转换效率不高的缺点。通过分析目前的研究成果，本项目提出了多种解决方案克服这些缺点，仿真和流片结果显示，效果良好，可以达到预期效果。主要通过对流水线和逐次逼近混合型两种结构ADC中存在的非理想因素的分析，并提出了多种解决方案，研究思路有：对现有的开关策略进行分析和对比的基础上，提出了一种高位电容跳过与复用的开关策略，从而大幅度优化了电荷再分配型DAC的动态功耗和面积。相对于MCS开关策略，提出的开关策略使电容阵列所需的电容总数减小一半，电平切换功耗降低81.22%；提出了后台校准算法，来大幅提高数字输出的精度。基于tsmc 65nm工艺，实现了一款10bit 50MHz采样率的带有数字校准SAR ADC。测试结果显示，SNDR最大值为56.2dB，1.2V电压下，功耗为0.82mW。FOM为31.1fJ/step，面积为0.057mm2。同时，还针对该结构ADC用到的一些数字算法和涉及的电源问题进行了研究。电压变换电路中的数字脉冲宽度调整（DPWM）由于关键路径的叠加导致的占空比增加，这种现象在几十兆及更高频率的应用中更加严重。项目中提出通过补偿来校准占空比的方案，FPGA实现了一个开关频率为9.375MHz 11位DPWM该算法，测试结果显示，占空比可以从1.52% 到 97.81%，时间分辨率和平均的占空比误差为53ps和3.08%。这些研究成果，发表了16篇学术论文，其中sci论文5篇，负责人作为第一或通讯作者发表论文12篇，SCI论文2篇，Ei6篇，包括一篇以项目负责人为唯一通讯作者JCR 一区期刊IEEE功率电子（影响因子7.15）上。申请了8项发明专利，授权3项。培养研究生14人，已毕业8人，在读6人。