高速、高精度和低功耗A/D转换器(ADC已经成为现代通讯和信号处理系统的关键部分。常见的A/D转换结构中,快闪式ADC能达到最快速度,然而功耗大,难以实现高精度;逐次逼近式ADC降低了功耗与面积,但是速度有限;Σ-Δ式ADC转换精度较高,速度却更低;流水线式ADC在速度和精度上有了较好改善,但处理变化很快的非周期模拟信号非常困难。虽然双积分A/D转换器速度和带宽都不高,在不要求高转换速率的应用环境(如数字电压表与数字测温仪中,却以其更低功耗、更小芯片面积、高精度和抗串模干扰强的优势占有重要地位。文献[1]采用一种新型的时间-数字转换技术,提高了积分式A/D转换器采样率,所以在低功耗的高能物理实验、医学影像辐射传感器等领域亦显示出强大的生命力[2]。国内对双积分A/D转换器的研究,主要依靠单片机或CPLD控制外部元件来实现转换功能[3],然而这种方式成本和功耗都较高、占用面积大、不符合便携式和SoC发展趋势。另一方面,传统片上双积分A/D转换器原理要求双电源供电,这不仅使芯片工艺更为昂贵、外围电路设计更为复杂,也增加了不必要的功耗。针对以上情况,研究中基于CMOS工艺,提出一种改进的双积分A/D转换器,通过采用2种模式积分的方法,实现了+5V单电源供电,获得较小系统功耗。1工作原理1.1传统双积分A/D转换器传统双积分A/D转换器结构如图1所示,主要由输入开关、积分器、比较器、逻辑控制、时钟产生器和计数器组成。系统工作过程如下:最开始对积分器和计数器复位以后,积分器对输入信号Vin在时间T1内进行积分,T1=2NTc(N为计数器位数,Tc为时钟周期时,V0点电压达到峰值Vp。然后输入开关接到负参考电平-VR,积分器反向积分,电容C开始放电,V0重新由Vp回到一种单电源供电的十位双积分A/D转换器孙杰,龚敏,陈昶,邬齐荣(四川大学物理科学与技术学院微电子技术重点实验室,四川成都610064摘要:设计了一种改进的双积分A/D转换器,通过采取2种模式积分的方法实现了+5V单电源供电,克服了传统双积分A/D转换器需要双电源的弊端。重点考虑可处理输入信号范围以及功耗的优化,并使用栅压自举开关保证了A/D转换的精度。整体电路设计基于CSMC0.5μm2P3MCMOS工艺,使用CadenceSpectre进行仿真,在5V供电情况下达到10bit精度,转换速率>10Kb/s,输入电压范围达到0~5V,INL<1/2LSB,系统功耗2.636mW。关键词:双积分A/D转换器;单电源供电;低功耗:TN431.1文献标识码:AAnindividualpowersupplied10bitdouble-integralA/DconverterSUN激e,GONGMin,CHENChang,WUQiRong(KeyLaboratoryofMicro-ElectronicsTechnology,SchoolofPhysicalScienceandTechnology,SichuanUniversity,Chengdu610064,ChinaAbstract:Animproveddouble-integralA/Dconverterwasdesigned.Byusingtwomodesofintegration,a+5VindividualpowersupplywasrealizedtoovercomethetraditionalADC′sshortcomingthatneeddoublepower.Foucusingoninputsignalrangeandpowerconsumptionoptimization,whileagatevoltagebootstrappedswitchultilizedtoensurestheADC′sprecision.DesignbasedonCSMC0.5μm2P3MCMOSprocess.SimulatingwithCadenceSpectreshows10bitaccuracy,conversionrate>10Kb/s,inputvoltagerange0~5V,INL<1/2LSB,systempowerdissipation2.636mWwasachievedinthecaseof5Vsupply.Keywords:double-integralA/Dconverter;individualpowersupply;lowpowerconsumption图1传统双积分A/D转换器结构Vin-VRR-+运放CV0-+比较器逻辑控制计数器时钟图2改进后的双积分A/D转换器结构VinR-+运放CV0-+比较器VrefVrefS4S0VrefVddGndS1S2S3计数器1计数器2N9ClkCRP9数字译码CtrM1M2数字输出0V,比较器输出跳变到1,控制计数器停止计数,输入信号被量化为2次积分时间之比。Vin=VRT2(11.2改进后的A/D转换器通过以上原理描述可知,传统双积分A/D转换器需要一个负参考电压进行反向积分,所以必须采取双电源供电。针对这一问题,设计改进后的双积分A/D转换器如图2所示。图中,运算放大器与比较器的同向端电平接的都是正的Vref(本文取Vref=2.5V,此电压可由一个带隙基准电路得到,对输入Vin>Vref的信号,比较器输出为高电平,与门M1导通而或非门M2关闭,时钟信号Clk通过M1驱动计数器1,开关S3...