网络技术-系统集成-用于单片集成传感器的低功耗模数转换器研究与实现.pdf

【网络技术-系统集成-用于单片集成传感器的低功耗模数转换器研究与实现】 随着大规模集成电路（LSI）和微电子机械系统（MEMS）技术的不断发展，单片集成传感器因其体积小巧、重量轻、功耗低以及外围电路简洁等优势，成为传感器领域的主要发展趋势。模数转换器（ADC）在集成传感器中扮演着至关重要的角色，特别是在追求高精度和高速度的同时，降低功耗成为了设计的关键挑战。在各种类型的ADC中，逐次逼近式ADC（SAR ADC）和电荷转移（LA）ADC常被应用于单片集成传感器。 本文针对一种MEMS集成传感器的需求，对SAR ADC及其关键组件——S△调制器进行了深入研究，并设计出低功耗、高性能的电路。在选择0.5微米2P3M标准CMOS工艺进行流片验证，以确保整个传感器系统的性能稳定性和国内工艺的成熟性。 1. **SAR ADC设计实现**：设计了一款采样率为2.5 MS/S的SAR ADC。通过优化数字模拟转换器（DAC）和比较器，解决了非理想因素带来的问题，如噪声和失真。通过对主要模块功耗与系统参数之间的关系进行理论推导，指导了低功耗设计。实测结果显示，在312 kHz输入正弦信号下，信噪比（SNR）达到56.6 dB，选择性失真动态范围（SFDR）为68 dB，有效数字位（ENOB）为9.1位，差分非线性（DNL）和积分非线性（INL）分别小于0.84 LSB和0.86 LSB，芯片面积仅为1mm²，3 V供电电压下的功耗仅为27 mW。与国内近年来的SAR ADC相比，本设计在采样率和功耗上表现出优越性，同时具有较好的FOM指标。 2. **S△调制器创新设计**：提出了一种新的二阶S△调制器结构，采用前馈通道来抑制谐波失真并提升动态范围。与传统带前馈通道的调制器相比，本设计无需加法器，简化了电路，减小了芯片面积。为了降低运算放大器的1/f噪声，引入了相关双采样电路。通过深入分析非理想因素对调制器性能的影响，建立了系统级数学模型，并使用Matlab/Simulink进行行为级仿真，确定了关键电路模块的指标。 3. **优化E△调制器设计**：在综合考虑精度、速度和功耗的前提下，对S△调制器中的相关双采样电路、运算放大器、比较器、电容、开关以及两相非重叠时钟等电路进行了优化设计。测试结果表明，调制器的最大SNR达到了79.7 dB，ENOB为13位，动态范围（DR）为81 dBc，3 V供电电压下的功耗仅为9 mW。与国外报道的同类E△调制器相比，本设计的功耗更低，FOM指标更高，综合性能更优。 综上所述，本文对单片集成传感器中的低功耗模数转换器进行了深入研究和实现，不仅在提高性能方面取得了显著成果，而且在功耗控制上实现了突破，对于推动集成传感器领域的技术进步具有重要意义。关键词包括：单片集成传感器、模数混合集成电路、S△调制器、逐次逼近型ADC、CMOS工艺以及低功耗模数转换器的研究与实现。