目 录
4.3.3 第二、三级运放的设计 ........................................................................... 35 4.3.4 回程噪声的考虑 ....................................................................................... 38 4.3.5 比较器系统设计 ....................................................................................... 41 4.4 比较器的版图设计 ......................................................................................... 44 4.4.1 抑制干扰 ................................................................................................... 45 4.4.2 器件匹配 ................................................................................................... 46 第5章 数字控制部分的设计 ................................................................................. 47 5.1 POWER DOWN模块 ..................................................................................... 47 5.2 CLK模块 ........................................................................................................ 48 5.3 TIMING模块 .................................................................................................. 48 5.4 REGISTER模块 ............................................................................................. 48 5.5 ENABLE模块 ................................................................................................ 49 5.6 DAC_DEC模块 .............................................................................................. 49 5.7 OUTPUT模块 ................................................................................................ 49 5.8 上电模块 ......................................................................................................... 49 第6章 数模混合仿真 ............................................................................................. 52 6.1 数模混合仿真 ................................................................................................. 52 6.2 芯片版图 ......................................................................................................... 54 第7章 测试 ............................................................................................................. 55 7.1 实际芯片 ......................................................................................................... 55 7.2 测试平台 ......................................................................................................... 56 7.3 测试过程 ......................................................................................................... 60 7.3.1 静态指标测试 ........................................................................................... 60 7.3.2 动态指标测试 ........................................................................................... 64 7.3.3 功耗测量 ................................................................................................... 65 7.4 测试结果 ......................................................................................................... 66 第8章 总结与未来工作展望 ................................................................................. 67 参考文献 ..................................................................................................................... 68 致谢与声明 ................................................................................................................. 71
IV
目 录
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 ................................................. 72
V
目 录 III 第1章 引言
第1章 引言
1.1 选题背景及意义
模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）将模拟信号转换成数字信号，是模拟系统与数字系统接口的关键部件，长期以来一直被广泛应用于雷达、通信、测控、医疗、仪表、图像和音频等领域。数字信号处理技术和通信产业的迅猛发展，推动着ADC逐步向高速度、高精度和低功耗的方向发展。
逐次逼近ADC与其他几种ADC在精度和速度方面的对比如图1.1所示。高速度ADC的典型结构是Flash型ADC，高精度ADC的典型结构是∑-Δ型ADC，这两种结构分别在速度、精度方面具有绝对优势，在速度、精度两个垂直市场上得到了广泛应用。然而，在其他广阔的应用领域中，人们往往需要一种中等速度、中等精度、低功耗、低成本的ADC，逐次逼近ADC（Successive Approximation ADC）满足了这种需求，占据了广阔的水平市场。
1T100G10G采样率（）1G100M10M1M100K10K24FlashADC两步ADC∑-ΔADC图1.1逐次逼近ADC与其他ADC在精度、速度方面的对比
逐次逼近ADC具有中等转换精度（一般8～16位）和中等转换速度（一般5MS/s以下），采用CMOS工艺制造时可以保证较低的功耗和较小的芯片面积，而且易于实现多路转换，因此在精度、速度、功耗和成本方面具有综合优势，市场应用广泛。
在工业过程控制方面，逐次逼近ADC的典型应用主要是用于放置在远端测
S/s逐次逼近ADC68101214161820222426精度（bit）
1
第1章 引言
量各种物理量的传感器[1][2][3][4]，这些利用了逐次逼近ADC的以下几个优势[5]：
1、多种模拟输入范围（单极、双极、差分）； 2、在开关、多通道应用中，能保证零数据延迟； 3、精度与速度适中； 4、功耗低、面积小。
例如在传感器网络应用中，成千上万个传感器节点由1块电池或者几平方毫米的太阳能电池供电，这就要求每个传感器节点面积小、成本低，而且这些节点能够长时间工作，消耗能量很小[3]，逐次逼近ADC正好具有面积小、功耗低、成本低的优势。而在电机控制应用中，需要在同一时刻及时捕获多路模拟输入，完成三相电流和电压测量，这样在一个芯片上集成多个采样/保持电路的逐次逼近ADC就为这类应用提供了极大的便利。
在医疗仪器方面，逐次逼近ADC广泛应用于成像系统，例如CT扫描仪、MRI和X射线系统。逐次逼近ADC具有零延迟、较高采样速率和较好DC指标等优势，保证了成像系统刷新速率高、成像分辨率高。逐次逼近ADC功耗低、面积小等优势在便携式医疗仪器应用（血液分析、血压监测、心脏监测、脉搏测量等）中得到充分发挥[5]。
此外，逐次逼近ADC的综合优势特别适合用作微处理器的辅助ADC接口，可以作为ADC IP核广泛应用于SoC。目前几个做混合信号IP核的大公司，例如ChipIdea、Nordic、Qualcore，用作微处理辅助ADC接口的IP核主要是逐次逼近结构。
1.2 研究工作主要内容
本研究工作旨在设计一款应用于微处理器接口的低功耗逐次逼近ADC，它采用单端输入，工作在2.5V电源电压下，转换精度为12位，采样率为500kS/s，并且带有省电（power down）模式。研究工作大体包括以下几个方面：
1、了解逐次逼近ADC的工作原理、典型结构、发展历史与国内外的研究现状；
2、研究逐次逼近ADC的三个核心模块：DAC、比较器与数字控制部分； 3、设计逐次逼近ADC的模拟部分，包括DAC、比较器、偏置电路、模拟缓冲级等，进行前仿真、版图设计、后仿真等模拟集成电路设计流程；
2