传感器SoC关键模拟电路及其版图设计与验证

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传感器节点硬件片上系统(System on Chip, SoC)需要在各种各样的环境下工作,而传感器SoC中模拟电路作为与外界直接联系的关键模块,不仅需要考虑电路功能及可靠性方面满足应用要求,而且需要设计出具有更高性能指标及性价比的电路。针对以上问题,本文对其模拟部件中的电源管理、模数转换器以及数模转换器的实现技术展开研究,主要工作包括:设计一款低压差线性稳压器(LDO)以及I/O接口电路,完成3.3V电平到1.8V电平的转换;采用R-2R权电阻结构设计一款数模转换器(DAC),其精度为8bit;基于分段式电容阵列DAC和三级预防大锁存比较器结构,设计一款逐次逼近型模数转换器(SAR ADC),其精度为10bit;完成各个模块的版图设计与DRC/LVS验证,给出相应的后仿真结果。为了得到更好的电路性能,本文解决的关键技术问题有:(1)在LDO设计中,通过加入一级缓冲器,将LDO内部系统的极点推至高频,并采用片外大电容补偿,使得LDO在不同的负载情况下可以稳定地工作。(2)在DAC设计中,通过采用电压型R-2R权电阻阵列结构,减小了电阻匹配的难度;同时分析了电阻匹配对于DAC性能的影响,通过加入一个MOS开关来减小匹配误差的影响。(3)在SAR ADC设计中,通过采用三级预防大锁存比较器结构,减小比较器的失调电压;同时采用分段式电容阵列DAC结构,减小了芯片面积与功耗。本文采用标准CMOS工艺库设计了相应电路及版图,结果表明在40℃~85℃温度范围内,LDO温漂系数小于5ppm/℃; DAC可以实现最高频率为30MHz输入信号的转换,精度为8bit;而SAR ADC的精度为10bit,采样速率为100kHz。
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