逐次逼近寄存器型ADC设计报告.docx

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逐次逼近寄存器型ADC设计报告

逐次逼近寄存器型ADC设计报告

组员(学号):

专业(年级):

集成电路设计与集成系统(2008)

课程名称:

数模混合集成电路设计

提交日期:

2011年12月22日

一、组员分工:

序号

组员

承担工作

1

采样保持电路、MOS开关以及运放仿真

2

比较器及DAC仿真

3

不交叠时钟仿真、SAR数字逻辑控制单元

4

全部版图绘制

二、项目设计要求:

设计一个12bit逐次逼近寄存器型模数转换器SARADC

三、项目参数要求:

分辨率

12bit

采样频率

100KHz

功耗

<2mW

电源电压

2.5V

面积

<3mm2

工作温度

0~80℃

工艺技术

0.25um

四、项目设计内容:

1.逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)整体结构:

2.逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)的特点及应用:

特点:

中级转换速度,低功耗,高精度,小尺寸

应用:

便携式仪表、笔输入量化器,工业控制和数据/信号采集器等

3.逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)工作原理:

SARADC其基本结构如图1所示,包括采样保持电路(S/H)、比较器(COMPARE)、数/模转换器(DAC)、逐次逼近寄存器(SARREGISTER)和逻辑控制单元(SARLOGIC)。

模拟输入电压VIN由采样保持电路采样并保持,为实现二进制搜索算法,首先由SARLOGIC控制N位寄存器设置在中间刻度,即令最高有效位MSB为“1”电平而其余位均为“0”电平,此时数字模拟转换器DAC输出电压VDAC为0.5VREF,其中VREF为提供给ADC的基准电压。

由比较器对VIN和VDAC进行比较,若VIN>VDAC,则比较器输出“1”电平,N位寄存器的MSB保持“1”电平;反之,若VIN

一次比较结束后,MSB被置为相应的电平,同时逻辑控制单元移至次高位并将其置“1”,其余位置“0”,进行下一次比较,直至最低有效位LSB比较完毕。

整个过程结束,即完成了一次模拟量到数字量的转换,N位转换结果存储在寄存器内,并由此最终输出所转化模拟量的数字码。

4.逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)各子模块设计:

●子模块1:

比较器(COMPARE)

(1)电路结构[4]:

(2)工作原理:

比较器电路是两级运算放大器[1],第一级是电流镜做负载的差分放大器。

第二级是电流漏做负载的反向放大器,然后再由M8和M5构成电流镜结构,做第一级放大器的尾电流。

M7和M8也是电流镜结构,为M7提供恒定电流[7]。

该电路实现功能是Vin1与Vin2的比较,若Vin1>Vin2,则Vout输出高电平;若Vin1

(3)参数设定:

根据以前学长的报告[10]器件尺寸进行改进,原尺寸为:

器件

名称

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

CL

IBIAS

参数

w=3u

l=1u

w=3u

l=1u

w=4.5u

l=1u

w=4.5u

l=1u

w=4.5u

l=1u

w=35u

l=1u

w=4.5u

l=1u

w=38u

l=1u

0.03pf

30u

改进尺寸:

器件

名称

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

CL

IBIAS

参数

w=3u

l=1u

w=3u

l=1u

w=5u

l=1u

w=5u

l=1u

w=3u

l=1u

w=10u

l=1u

w=2.4u

l=1u

w=14u

l=1u

20ff

30u

(4)仿真网表:

功能

*comparegongneng

.lib'mix025_1.l'tt

vdd102.5v

.paramcom=1.25v

xinvin1in2out1inv

.subcktinvin1in2out1

vin1in10com

vin2in20pwl00v20u2.5v

ibiasvddbias30u

clout020ff

m13in150nchw=3ul=1u

m24in250nchw=3ul=1u

m33311pchw=5ul=1u

m44311pchw=5ul=1u

m55bias00nchw=3ul=1u

m6out411pchw=10ul=1u

m7outbias00nchw=2.4ul=1u

m8biasbias00nchw=14ul=1u

.ends

.tran1n20u

.printv(out)v(in1)v(in2)

.end

精度

*comparejingdu

.lib'mix025_1.l'tt

vdd102.5v

.paramcom=1.25v

xinvin1in2out1inv

.subcktinvin1in2out1

vin1in10com

vin2in20pwl01.2497v4.5u1.2503v

ibiasvddbias30u

clout020ff

m13in150nchw=3ul=1u

m24in250nchw=3ul=1u

m33311pchw=5ul=1u

m44311pchw=5ul=1u

m55bias00nchw=3ul=1u

m6out411pchw=10ul=1u

m7outbias00nchw=2.4ul=1u

m8biasbias00nchw=14ul=1u

.ends

.tran1n4.5u

.printv(out)v(in1)v(in2)

.end

传播延时

*comparechuanboyanshi

.lib'mix025_1.l'tt

vdd102.5v

.paramcom=1.25v

xinvin1in2out1inv

.subcktinvin1in2out1

vin1in10com

vin2in20pulse(02.5v1n1n0.2u0.4u)

ibiasvddbias30u

clout020ff

m13in150nchw=3ul=1u

m24in250nchw=3ul=1u

m33311pchw=5ul=1u

m44311pchw=5ul=1u

m55bias00nchw=3ul=1u

m6out411pchw=10ul=1u

m7outbias00nchw=2.4ul=1u

m8biasbias00nchw=14ul=1u

.ends

.tran1n1u

.printv(out)v(in2,in1)

.end

(5)仿真结果:

功能:

由图像可以看出,Vin1为1.25v不变,Vin2从0v到2.5v。

Vin1和Vin2进行比较,实现比较器功能。

Vin1

Vin1>Vin2时,输出为低电平,满足要求。

Vin2为:

Vin1为:

Vout为:

精度:

设Vin2=1.25v上下浮动0.3mv,如方针结果1,仿真使Vout发生了反转,符合比较器的精度0.6mv的要求。

Vin2为:

Vin1为:

Vout为:

响应时间:

传播延时为输出图像翻转的50%和输入图像翻转的50%之间的时间差决定,tpHL=33.67ns,tpLH=33.27ns由图可以得到传播时间约等于响应时间tp=(tpLH+tpHL)/2=33.47ns。

(6)版图:

版图面积为331.14um*217.8um=72122.292um2

●子模块2:

采样保持电路(S/H)

(1)电路结构:

(2)工作原理[12]:

采样保持电路的电路结构为:

CMOS传输门开关,采样电容器,两级运算放大器。

当开关导通的时候,通过外加信号给电容充电,断开后由于电容无法放电,将继续保持原来的电压,这个电压被电压跟随器保持下来,这样的结构就构成了采样保持电路。

其中级运算放大器,第一级是电流镜做负载的差分放大器。

第二级是电流漏做负载的反相放大器,M8管和M5构成一个电流镜结构,由M8给M5镜像电流作为第一级放大器的尾电流。

M8和M7也是一个电流镜结构,其功能也是为M7提供个横定的电流。

运算放大器的设计与仿真详见子模块6。

(3)参数设定:

根据[2]中公式

输出导纳go=αgo,m。

其中go,m为关于晶体管的宽长比以及晶体管漏级电

流Id的单项式,α为常数。

由在文献中的计算结果,以及[3]对管子尺寸进行调试,得出

Mn1w=1ul=1u

Mp1w=2ul=1u

M1w=15ul=1u

M2w=15ul=1u

M5w=3ul=1u

M3w=10ul=1u

M4w=10ul=1u

M6w=100ul=1u

M7w=15ul=1u

M8w=2ul=1u

Cc1pf

CL1pf

CH1pf

(4)仿真网表:

*SHcircuit

.lib'mix025_1.l'TT

.globalvdd

vddvd02.5v

.subcktamplifyinoutvdd

ibiasvdd1100nA

Ccvf1out1pf

CLoutgnd1pF

M1vm1in1vn1gndnchL=1uW=15u

M2vf1in2vn1gndnchL=1uW=15u

M3vm1vm1vddvddpchL=1uW=10u

M4vf1vm1vddvddpchL=1uW=10u

M5vn1vbiasgndgndnchL=1uW=3u

M6outvf1vddvddpchL=1uW=100u

M7outvbiasgndgndnchL=1uW=15u

M8vbiasvbiasgndgndnchL=1uW=2u

.ends

.subcktswitchinoutg1g2

mn1outg1in0nchw=1ul=1u

mp1ing2outvddpchw=2ul=1u

.ends

ch101pf

xswitchin1g1g2switch

xamplifyout1outamplify

vg1g10PULSE(02.500.1n0.1n5u10u)

vg2g20PULSE(2.5000.1n0.1n5u10u)

vinin0sin1.251.25100k

.tran0.1u30u

.printv(g1)v(g2)v(in)v(out)

.end

(5)仿真结果:

Vout为:

Vin为:

V(G2)为:

V(G1)为:

由图可知,G1为高电平G2为低电平时开闭合开电路处于采样阶段,G1为低电平G2为高电平时开断开合电路处于保持阶段。

采样频率为100KHz,也就是采样周期为10us,两次采样电压为:

2.15v、2.13v,输入电压范围为:

2.5v。

该采样保持电路采用高电平采样低电平保持所以此电路可以很好的进行采样工作。

(6)版图:

版图面积为502.8um*327.6um=164717.28um2

●子模块3:

数模转换器DAC

(1)电路结构:

其中双向开关部分原理图为MOS开关子模块原理图。

(2)工作原理:

基于电荷再分配的原理[5],所谓电荷守恒原理就是指在开关电容电路中用“闭合面”包围各电容器一个极板的集合,只要闭合面没没有存储电荷的元件,并且没有导电路径穿过这个闭合面,那么闭合面内所有电容器极板上锁存储的总电荷就不会发生变化,并且与整个电路中开关的闭合和断开一级电容器上的电压因任何原因而发生的变化无关。

输入数字码与输出电压的关系如下式[6]:

In-1=2In-2=4In-3=...=2n-1I0

vo=-Rf*I=-Rf(Dn-1/2R+Dn-2/4R+Dn-3/8R+...+D0/2n)VREF

Rf=R,vo=-VREF/2ni=0∑n-1Df*2i

其中

是输出电压,

考电压

是权位,,bI=1是I=1,bI=0时I=0。

(3)参数设定:

电容名称

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

Cout

电容值(pf)

40960

20480

10240

5120

2560

1280

640

320

160

80

40

20

20

其中pmos和nmos管得尺寸和子模块MOS开关的尺寸保持一致。

(4)仿真网表:

*dacc

.lib'mix025_1.l'tt

vd11gndpulse(02.501n1n16u32u)

vd22gndpulse(02.501n1n8u16u)

vd33gndpulse(02.501n1n4u8u)

vd44gndpulse(02.501n1n2u4u)

vd55gndpulse(02.501n1n1u2u)

vd66gndpulse(02.501n1n0.5u1u)

c1out1640pF

c2out2320pF

c3out3160pF

c4out480pF

c5out540pF

c6out620pF

coutoutgnd20pF

vddingnd2.5v

xswitch11gndoutinswitch

xswitch22gndoutinswitch

xswitch33gndoutinswitch

xswitch44gndoutinswitch

xswitch55gndoutinswitch

xswitch66gndoutinswitch

.subcktswitchinoutd1gnd

m11d1outoutpchw=1ul=1u

m21d1gndgndnchw=1ul=1u

m3out1gndgndnchw=1ul=1u

m4in1outoutpchw=1ul=1u

.ends

.tran2n50u

.printtranv(in,out)

.end

(5)仿真结果:

数字码从001000到010010依次加1,对应转换的模拟信号为0.31V0.35V0.39V0.43V0.47V0.51V0.55V0.59V0.62V0.660.7V0.72V,而仿真结果为0.32V0.36V0.4V0.43V0.47V0.51V0.55V0.59V0.62V0.660.7V0.72V,理论值与实际值几乎一致,符合了数模转换的要求。

(6)版图:

版图面积为1067.46*214.86um2=229418.9136um2

●子模块4:

MOS开关

(1)电路结构[11]:

此电路用于模块3数模转换器DAC中。

根据[1]中传输门的原理,确定下图为双向MOS开关,其中d为开关控制端,d为低电平时,Mn2导通,d为高电平时,Mp2导通。

(2)工作原理:

Pmos管可以很好的传输高电平,Nmos管可以很好的传输低电平,如仅仅是传输高电平和低电平,那么可以考虑只采用一P管或者一个N管,在采样保持电路中用的传输门要传输的电压是不确定的,所以同时采用PMOS和NMOS,这样可以减少传输时阈值损失。

(3)参数设定:

设反相器的PMOS的L=1u,W=2u,由于反相器的P管与N管尺寸比为2比1,则反相器的NMOS的L=1u,W=1u。

设Mp2的L=1u,W=2u。

Mn2的L=1u.W=2u。

(4)仿真网表:

*switchdouble

.lib'mix025_1.l'tt

vddvdd02.5v

vdd0PULSE(02.500.01u0.01u0.5u1u)

vin1in1gnd0.1v

vin2in2gnd2v

Mp11dvddvddpchw=1ul=1u

Mn11dgndgndnchw=2ul=1u

Mn2out1in1in1nchw=2ul=1u

Mp2in21outoutpchw=2ul=1u

.tran1n0.6u

.printtranv(out)v(d)

.end

(5)仿真结果:

Vout为:

Vd为:

上图为双向CMOS开关的仿真结果。

仿真结果说明:

当输入D是高电平时,Mp2管导通,输出为IN,IN为2.5v。

当输入为低电平时,Mn2管导通,输出为0。

(6)版图:

版图面积为104.52um*50.88um=5317.9776um2

●子模块5:

两相不交叠时钟

(1)电路结构:

器件名称:

反相器,与非门

(2)工作原理:

输出端CLK1由输入in和另一个反馈来的输入经过三个反相器得出。

输出端CLK2由经过一个反相器的in输入端和反馈来的另一个输入端经过三个反相器得出。

(3)参数设定:

经过仿真测试,在两项不交叠时钟里面,MOS管的尺寸可取的范很宽,几乎不会影响模块的功能,采用的MOS管的尺寸为1/1和4/1。

(4)仿真网表:

.lib"mix025_1.l"tt

vdvdd02.5v

vinin0PULSE(02.500.1n0.1n0.05u0.1u)

M1N5inGndGndNchL=1uW=1u

M2N8N5GndGndNchL=1uW=1u

M3N2N8GndGndNchL=1uW=1u

M4N4N12GndGndNchL=1uW=1u

M5clk1N4GndGndNchL=1uW=1u

M6N6inGndGndNchL=1uW=1u

M7N1N6GndGndNchL=1uW=1u

M8clk2N7GndGndNchL=1uW=1u

M9N7N11GndGndNchL=1uW=1u

M10N12N2N3N3NchL=1uW=1u

M11N3clk2GndGndNchL=1uW=1u

M12N11N1N9N9NchL=1uW=1u

M13N9clk1GndGndNchL=1uW=1u

M14N5inVddVddPchL=1uW=1u

M15N8N5VddVddPchL=1uW=1u

M16N2N8VddVddPchL=1uW=1u

M17N4N12VddVddPchL=1uW=1u

M18clk1N4VddVddPchL=1uW=1u

M19N6inVddVddPchL=1uW=1u

M20N1N6VddVddPchL=1uW=1u

M21clk2N7VddVddPchL=1uW=1u

M22N7N11VddVddPchL=1uW=1u

M23N12N2VddVddPchL=1uW=4u

M24N12clk2VddVddPchL=1uW=4u

M25N11clk1VddVddPchL=1uW=4u

M26N11N1VddVddPchL=1uW=4u

.tran0.1u2u

.printv(in)v(clk1)v(clk2)

.end

(5)仿真结果:

V(clk2)为:

V(clk1)为:

V(in)为:

输入CLK与输出CLK1同相,和CLK2反相,所以得到CLK1与CLK2不交叠的时钟输出。

时钟周期是0.1us,即采样周期。

符合设计要求的工作时钟。

(6)版图:

版图面积为190.74um*91.98um=17544.2652um2

●子模块6:

运算放大器

(1)电路结构:

此电路用于模块2采样保持电路中。

(2)工作原理:

在运放的电路里面采用了电流镜,电流镜的工作原理为,两个完全匹配的MOS管,当加载在栅极的电压相同的时候,沟道电流也相同,根据这个原理就可以达到镜像的目的。

(3)参数设定:

根据参考文献2中公式

输出导纳go=αgo,m。

其中go,m为关于晶体管的宽长比以及晶体管漏级电

流Id的单项式,α为常数。

由在文献中的计算结果,以及参考文献3对管子尺寸进行调试,得出

m1w=15ul=1u

m2w=15ul=1u

m5w=3ul=1u

m3w=10ul=1u

m4w=10ul=1u

m6w=100ul=1u

m7w=15ul=1u

m8w=2ul=1u

c11pf

c21pf

(4)仿真网表:

*Maincircuit

.lib'mix025_1.l'TT

Ccvf1out1pf

CLoutgnd1pF

M1vm1in1vn1gndnchL=1uW=15u

M2vf1in2vn1gndnchL=1uW=15u

M3vm1vm1vddvddpchL=1uW=10u

M4vf1vm1vddvddpchL=1uW=10u

M5vn1vbiasgndgndnchL=1uW=3u

M6outvf1vddvddpchL=1uW=100u

M7outvbiasgndgndnchL=1uW=15u

M8vbiasvbiasgndgndnchL=1uW=2u

ibiasvddvbias1

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