12--bit带有斩波稳定的高温逐次逼近型ADC设计
随着电子技术的不断发展，数字系统由于其稳定性强、易传输、抗干扰等优点在各种研究领域中广泛应用，并不断延伸形成众多独立学科。数字电路处理的对象为数字信号，但生活中大多数自然信号都是模拟信号如温度、光照、声音等。与数字信号相比，模拟信号易受噪声等影响、处理成本高，一般需要将模拟信号转换为数字信号，而模数转换的核心—模数转换器(Analog-Digital Converter，ADC)的研究至关重要。 逐次逼近型模数转换器(SARADC)作为众多ADC结构中的一种，具有低功耗、高分辨率的特点，目前已广泛应用于汽车电子、石油化工等领域。但随着应用环境复杂度的不断提升，特别是高温环境为重点的高精尖领域，基于传统常温结构的SAR ADC已无法满足高温条件下的性能水平要求，这也是近几年SAR ADC研究领域中亟待解决的重要问题。我国在高温芯片研究方面还存在许多空白，尤其以耐高温ADC方向研究较少。因此，本文分别展开了高温SAR ADC芯片的电路原理设计，物理版图设计等方面的研究，并设计出了12bit带有斩波的高温SAR ADC芯片。 在12bit高温SAR ADC设计过程中，针对SAR ADC采样保持模块的闪烁噪声和非线性因素对采样信号精度影响的问题，本文建立了一种新型带有斩波稳定采样保持结构的数学模型。并基于上述模型分析了信号的时域特性和频域特性，从降噪能力、电路复杂程度、功耗和采样速度四个方面出发，对斩波稳定采样保持电路结构进行了研究。最后，设计实现了一款带有斩波的满足12位高温SAR ADC性能要求的采样保持电路。 进一步针对高温条件下SAR ADC高精度、高采样速率的实现进行了研究。从电路设计和版图设计两个方面出发，一方面采取斩波降噪方法提高了SAR ADC采样信号的准确度，另一方面采用中心对称、四方交叉等版图优化方法降低了高温器件失配引起的噪声，优化提升了高温SARADC的精度。基于0.18μm CMOS工艺，设计实现了一款12位高温SARADC芯片，后仿真结果表明在正常工作温度下，该芯片具有1MHz的带宽采样频率和10.65位的有效位数;在高电源电压10V、高温175℃的条件下，该芯片可达到10-bit的有效位数和62dB的信噪比。本设计在满足12位高温SAR ADC性能要求的基础上，进行了流片制作，获得了实物芯片。
逐次逼近型模数转换器;芯片设计;采样保持电路;斩波降噪
北京化工大学
硕士
控制工程
俞度立;李为公
2020
中文
TN402
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）