一種20 MS/s基于VCO比較器的二階噪聲整形SAR ADC設計
信息技術與網絡安全
王 也1，2，劉力源2，3，吳南健2，3
(1.中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥230026； 2.中國科學院半導體研究所，北京100083； 3.半導體超晶格國家重點實驗室，北京100083)
摘要： 基于壓控振蕩器(VCO)結構的比較器，提出了一種二階噪聲整形逐次逼近型(NS-SAR)模數轉換器(ADC)。首先采用對電源電壓敏感度較低且噪聲性能更優越的VCO比較器，隨后通過動態放大器優化噪聲傳遞函數的零極點，最后通過噪聲整形結構抑制信號帶內噪聲。基于180 nm CMOS 工藝，設計了一款12位20 MS/s NS-SAR ADC。仿真結果表明，在1.3 V電源電壓下，功耗為1.12 mW，過采樣率（OSR）為8時，信號噪聲失真比(SNDR)為72.7 dB，無雜散動態范圍(SFDR)為88 dB，優值(FoMs)為163 dB；并且在1.3～1.8 V電源電壓范圍內，其有效位數(ENOB)>11.7 bit。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.06.011
引用格式： 王也，劉力源，吳南健. 一種20 MS/s基于VCO比較器的二階噪聲整形SAR ADC設計[J].信息技術與網絡安全，2021，40(6)：62-68.
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.06.011
引用格式： 王也，劉力源，吳南健. 一種20 MS/s基于VCO比較器的二階噪聲整形SAR ADC設計[J].信息技術與網絡安全，2021，40(6)：62-68.
A 20 MS/s second-order noise shaping SAR ADC with VCO-based comparator
Wang Ye1，2，Liu Liyuan2，3，Wu Nanjian2，3
(1.School of Microelectronics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China； 2.Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China； 3.State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures，Beijing 100083，China)
Abstract： A second-order noise-shaping successive approximation register(NS-SAR) analog-to-digital converter(ADC) with a voltage-controlled oscillator(VCO)-based comparator is presented in this paper. Firstly, a VCO-based comparator with low voltage sensitivity and better noise performance is adopted. Then the zero pole of the noise transfer function is optimized by the dynamic amplifier. Finally, the noise in the signal band is suppressed by the noise shaping structure. A design example of 12 bit 20 MS/s NS-SAR ADC was fabricated in a 180 nm CMOS technology. Simulation results show that, it consumes 1.12 mW at a 1.3 V power supply and achieves a FoMs of 163 dB with 72.7 dB SNDR, 88 dB SFDR at an oversampling ratio(OSR) of 8, and the effective number of bits(ENOB)>11.7 bit in the supply voltage range of 1.3～1.8 V.
Key words : ADC；noise-shaping；VCO-based comparator；dynamic amplifier
0 引言
隨著CMOS制造工藝的不斷進步以及新穎電路結構的提出，中等精度(8~10 bit)的SAR ADC已經可以實現數百或數千MS/s的采樣率，且其面積較小、功耗較低。NS-SAR ADC將過采樣技術和噪聲整形技術引入到SAR ADC中，在SAR結構低功耗的基礎上大大提高模數轉換器的精度，是近年來國內外研究的熱點。NS-SAR主要分為兩種結構，一種是級聯積分器前饋結構，采用FIR和IIR濾波器級聯，可以實現較為理想的噪聲整形效果[1-2]。2012 年，FREDENBURG J A等人首次將該結構用于傳統的SAR ADC，使得一個8 bit的轉換器獲得了10 bit的精度[3]，但是其電路較為復雜，需要一個由高性能運放構成的積分器。2019年，Zhuang Haoyu等人采用無源積分器的方法大大減小轉換器的功耗，通過二階的噪聲整形將一個9 bit轉換器的精度提升到了12.7 bit[4]。另一種則是誤差反饋結構，其結構相對簡單。2018年，Li Shaolan等人采用該種結構實現了NS-SAR ADC，同時動態運放的加入也減小了部分功耗，最終獲得了穩定優異的噪聲整形效果[5]。同年，楊家琪博士采用雙誤差反饋通道的方式，有效地提高了轉換器的信噪比[6]，但是系統中的四輸入動態比較器會引入額外的失調和回踢噪聲。
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作者信息：
王 也1，2，劉力源2，3，吳南健2，3
(1.中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥230026；
2.中國科學院半導體研究所，北京100083；
3.半導體超晶格國家重點實驗室，北京100083)
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