2阶增量型ADC - 天津大学研究生e-Learning平台.PPT

用于CMOS图像传感器的极低电压的 Incremental ADC技术研究 * 天津大学ASIC设计中心 报告人：王鹏 日期：2014.04.15 目录 传统Σ-Δ ADC概述 应用于图像传感器的Incremental ADC 基于C类反相器的低电压积分器 设计结果 天津大学ASIC设计中心 * 背景概述 背景简介 天津大学ASIC设计中心 * 1.CMOS图像传感器高速发展 ADC精度需求提高 2.CMOS工艺尺寸减小 数字电路供电电压下降，但模拟电路供电电压仍然很难降低 天津大学ASIC设计中心 * Sigma-delta ADC 优势： 1.过采样 2.噪声整形。 3.电路匹配性要求低 4.结构简单，面积小 实现高精度 利于小尺寸低电压的实现 应用在图像传感器领域这种工作在接近直流状态的Sigma-delta ADC Incremental ADC 传统sigma-delta 天津大学ASIC设计中心 * 传统Σ-Δ ADC与IDC * 传统Σ-Δ ADC 1.输入输出信号为连续交流信号。 2.电路匹配性要求低。 3过采样和噪声整形可以实现高精度。 4.应用在音频和通信领域。 Incremental ADC 1.输入输出信号为离散直流信号，每个采样周期需要对整个电路进行复位 2.传统Σ-Δ ADC中过采样N相当于IDC中单个值量化次数，N值越高，精度越高。 3.有高增益需求。 4应用在图像传感器和直流测量领域。 5.类似于传统奈奎斯特ADC 天津大学ASIC设计中心 Incremental Data Converter 天津大学ASIC设计中心 * 1978, Plassche首次引入了一阶增量型数据转化器结构 1985, Robert and Valencic更为详尽的介绍相似的结构在低电压CMOS环境下的 应用，并命名这种ADC为‘incremental A/D converter’。 2004, Markus介绍了改进型的IDC,并清晰完整的解释了IDC的理论和应用，并命名为‘incremental ΔΣ converter’ 2009年，Youngcheol Chae等人将这种ΔΣ ADC应用在了CMOS图像传感器领域。 1阶增量型ADC 天津大学ASIC设计中心 * 经过N个周期： 量化精度： 计数器输出值 量化误差： 1阶增量型ADC 天津大学ASIC设计中心 * 缺点： 速度慢，要实现n位精度需要 个时钟周期 1阶 优点： 结构简单，有很好的线性 2阶增量型ADC 天津大学ASIC设计中心 * 2阶前馈式增量型ADC 每次量化前对积分器滤波器进行复位 V1[0]= V2[0]=0. 2阶增量型ADC 天津大学ASIC设计中心 * 时域分析积分器输出为 2阶增量型ADC 天津大学ASIC设计中心 * 量化公式（滤波器输出） 量化精度 量化误差 低电压电路实现 天津大学ASIC设计中心 * 尺寸减小，供电电压降低，但由于MOS管阈值电压不可能和电源电压等成比例减小（由于漏电流等原因），模拟电路的低电压仍不好实现。 Key OTA IDC调制器中主要模块为开关电容积分器 低电压电路实现 天津大学ASIC设计中心 * 传统开关电容积分器 基于反相器的积分器 天津大学ASIC设计中心 * C类反相器 OTA 输入管PMOS和NMOS稳定时工作在亚阈值区，其静态电流为很低的亚阈值电流 C类亚阈值反相器 基于反相器的积分器 天津大学ASIC设计中心 * 采样阶段 积分阶段 基于反相器的积分器 天津大学ASIC设计中心 * 反相器积分建立过程 基于反相器的积分器 天津大学ASIC设计中心 * 1.5uA静态电流，极低功耗 基于反相器的积分器 天津大学ASIC设计中心 * 改进后反相器性能 标准工艺角仿真，直流增益85dB，相位裕度78° 蒙特卡洛仿真显示其增益衰减到78dB 设计完成 天津大学ASIC设计中心 * 行为仿真 天津大学ASIC设计中心 * OSR=200，Fin=30K,调制器情况下行为仿真 电路实现 天津大学ASIC设计中心 * 单端前馈式1位量化调制器，供电电压1V,时钟频率10MHz 仿真结果 天津大学ASIC设计中心 * 调制器加两级积分器滤波后频谱 OSR=200 ENOB=11.8bit 仿真结果 天津大学ASIC设计中心 * MAX INL=0.726LSB MAX DNL=0.608LSB DC OFFSET=0.1mV 天津大学ASIC设计中心 * 进一步工作展望 下一步工作展望 天津大学ASIC设计中心 * 1.进一步优化电路性能，改进电路结构