【摘 要】
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随着各种信息技术的高速发展,作为依托的硬件系统也愈发重要。模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）在硬件电路系统里起到连接模拟世界和数字电路的桥梁作用,在人工智能、工业自动化控制、5G通信系统和生物医疗系统等领域,以及一些消费类电子产品,都对ADC的量化精度以及转换速度的要求越来越高。因此在提升精度和提高速度两个方向,都具有很重要的研究意义。逐次逼近寄存器型（S
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随着各种信息技术的高速发展,作为依托的硬件系统也愈发重要。模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）在硬件电路系统里起到连接模拟世界和数字电路的桥梁作用,在人工智能、工业自动化控制、5G通信系统和生物医疗系统等领域,以及一些消费类电子产品,都对ADC的量化精度以及转换速度的要求越来越高。因此在提升精度和提高速度两个方向,都具有很重要的研究意义。逐次逼近寄存器型（Successive Approximation Register）ADC具有电路结构高数字化、设计复杂度低的特性,其功耗和面积受益于工艺尺寸的缩小而不断得到降低优化,具有较高的品质因数（Figure of Merit）,在各种中高精度、中高速度的场景下得到广泛应用。本文的针对高精度低功耗SAR ADC的关键技术进行研究,设计了一款13位64k S/s SAR ADC。这款ADC芯片主要针对可穿戴设备,如手环和心电监测等生物医疗系统。本文所设计的ADC采用了基于压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator）的比较器结构,获得较高优值的比较器性能,针对亚稳态提出一种基于时域VCO振荡次数的检测手段。本文针对电容失配提出了一种基于电容组轮转的残差过采样技术,经过建模验证对ADC的静态性能和动态性能都有可观的提升,不需要额外的前台或后台电容校正技术。得益于这种免校准而降低失配和噪声影响的方案,本设计在180nm CMOS工艺下,后仿在低频输入时得到12.81位的有效位数,SNDR和SFDR分别为78.90dB和92.64dB,Fo Ms达到174dB,Fo Mw达到21.5f J/conv.-step;在奈奎斯特频率输入时得到12.76位的有效位数,SNDR和SFDR分别为78.58dB和90.69dB。由于残差过采样技术的面积和功耗优势,芯片核心部分面积为0.2mm~2,功耗为9.885μW。
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