用于单片集成传感器的低功耗模数转换器研究与实现

【摘要】： 大规模集成电路和MEMS技术广泛而深入的研究推动传感器向单片集成的方向发展。单片集成传感器具有体积小、重量轻、功耗低、外围电路简单等优点,已成为目前传感器发展的主要方向。模数转换器(ADC)是集成传感器中的核心模块之一。在满足精度和速度要求的同时,如何优化ADC的结构及单元电路以降低功耗是研究的重点,也是当前模数混合集成电路设计的热点和难点。 在各种类型的ADC中,集成传感器较常采用的是逐次逼近式ADC(SAR ADC)和Σ△ADC (Σ△调制器是Σ△ADC的关键组件,决定整个ADC的精度)。本文结合对一种MEMS集成传感器的研制要求,系统深入地研究了SAR ADC及Σ△调制器的结构和电路设计技术,设计出低功耗、高性能的SAR ADC及Σ△调制器电路。综合考虑整个传感器系统的性能及目前国内集成电路工艺的成熟和稳定性,采用0.5μm 2P3M标准CMOS工艺对所设计的电路进行流片验证。完成的工作及取得的研究成果如下： (1)设计实现了一款采样率为2.5 MS／s的SAR ADC电路。为提高采样率,对DAC及比较器进行优化并就如何克服电路中存在的非理想因素进行详细的分析。推导出各主要模块功耗与系统参数的制约关系,指导电路的低功耗设计。测试结果表明：输入正弦信号频率为312 kHz时,SNR为56.6 dB, SFDR为68 dB,ENOB为9.1位,DNL、INL分别为0.84 LSB和0.86 LSB,芯片面积为1.7 mm2。3 V供电电压下功耗为2.7 mW。与国内近几年测试成功的SAR ADC相比,本设计实现了较高的采样率,功耗较低,衡量ADC性能的FOM (figure of merit品质因子)指标较好,设计水平在国内处于领先水平。 (2)提出一种结构新颖的二阶Σ△调制器。该调制器采用前馈通道抑制谐波失真、提高动态范围。与其它带前馈通道的调制器相比,本文提出的调制器结构不含加法器,有效地降低了电路的复杂度及芯片面积。为满足传感器的使用,必须有效抑制运算放大器的1／f噪声。为此,在积分器中引入相关双采样电路。深入分析电路的非理想因素对调制器的性能影响,建立调制器的系统级数学模型并通过Matlab/Simulink行为级仿真确定调制器中电路模块的关键指标。 (3)在系统研究和分析对比各种电路结构的基础上,兼顾精度、速度和功耗,优化设计ZA调制器中的相关双采样电路、运算放大器、比较器、电容、开关、两相不重叠时钟等电路。测试结果表明：调制器的最大SNR为79.7dB, ENOB为13位,DR为81dB。3 V供电电压下功耗为9 mW。与国外近几年报道的用于集成传感器的Σ△调制器进行比较表明：本文设计的调制器功耗较低,FOM指标较高,综合性能好。