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适用于微测辐射热计SAR ADC的设计与集成

黄伟奇  
【摘要】:微测辐射热计是一种非制冷型红外探测器,具有功耗低,体积小,成本低,带宽响应范围广等优点,近年来受到广泛关注。随着CMOS集成电路的迅速发展,高集成度,低功耗,高探测灵敏度是微测辐射热计的发展趋势。实现上述要求的一个主要技术就是微测辐射热计的数字化,即将模数转换器与微测辐射热计读出电路集成,使其输出数字信号。该方法的优点是减小传输噪声、简化探测器接口、提高探测器可靠性和稳定性,并降低探测器的功耗与成本。本文基于CSMC 0.18μm混合射频工艺,针对模数转换器与微测辐射热计的集成,主要做了两部分工作。其一为基于本课题组制备的氧化钒微测辐射热计,设计了一款12位全差分低功耗模逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。(1)针对微测辐射热计低功耗的应用,提出了一种新型的电荷重分配型数模转换器(DAC),通过采用高位码字(MSB)段与低位码字(LSB)使用两种不同参考电压的方案,减少了单位电容使用个数,降低了DAC的面积与功耗,并提高了信噪比。(2)设计了一款高速低功耗比较器,电路由时钟控制的一级预放大器和动态锁存器组成,该电路具有无静态功耗,比较精度高,失调电压小,比较速度快等优点。(3)设计了异步时序的数字逻辑控制电路,该电路无需外部提供比较时钟、系统噪声小、精度高。其二为提出了一种SAR ADC与读出电路的集成方案,并针对该方案设计了一种全差分运算放大器,包括主放大电路和共模反馈电路两个部分。主放大电路采用折叠共源共栅与共源级的两级放大结构,具有高增益和高带宽。两级共模反馈电路分别为处于线性区的MOS管反馈和差分放大反馈。电路输出动态范围大,功耗低,共模输出电压稳定。另外,本文还使用软件Cadence Layout Virtuoso对SAR ADC进行了版图设计,版图面积为376μm×193μm。模数转换器整体仿真结果为,最大采样频率为5MSps,无杂散波动态范围(SFDR)为74.1dB,有效位数为10.66bit,功耗为200μW,品质因数为24fJ/con-step。对全差分运算放大器进行仿真,开环直流增益111.9dB,带宽30.84MHz,相位裕度65.2度,建立时间258ns。应用于单端转双端功能,共模输出电压稳定,最大差分输出电压误差为32.91μV,非线性度小于0.0016%。


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