低功率 高分辨率的A-D转换器 A-D转换 模-数转换 ADC DfT 深亚微米CMOS pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

[荷] 阿米尔·齐亚约 著

图书标签:

• A/D转换器
• 模数转换
• ADC
• 低功耗
• 高分辨率
• CMOS
• DfT
• 深亚微米
• 模拟电路
• 集成电路设计

店铺： 京文联发专营店

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111589037

商品编码：26388914476

开本：16

出版时间：2018-03-15

出版日期：2018/3/1 版 次：1-1 出 版 社： style='margin: 0.0px;padding: 0.0px;text-decoration: none;color: #4b4b4b;'>机械工业出版社 原出版社：Springer 丛 书 名： style='margin: 0.0px;padding: 0.0px;text-decoration: none;color: #4b4b4b;'>国际信息工程先进技术译丛
内容简介
在本书中，作者概述了这些创新的有价值的例子，并给人们机会看到它们在应用于高分辨率模-数（A-D）转换器（ADC）开发时的优势。更具体地，读者可以发现本书的主要贡献在于：使用时间交织的信号处理和校准的多步A-D转换器的设计、用于这些转换器的完全可观测性和可控性的DfT（可测性设计）技术的提出和实现、可以识别过程参数变化的传感器网络的方法与设计、使用小型样本来估计过程变化的算法的建议以及用于晶片级测试的测试模式生成器的开发。
译者序
原书序
缩略语表
物理量符号
第1章 绪论1
1.1 A-D转换系统1
1.2浅谈当前的设计与调试实践分析4
1.3动机7
1.4本书内容组成8
第2章 A-D转换9
2.1高速、高分辨率A-D转换器架构选择9
2.1.1多步A-D转换器9
2.1.2管线A-D转换器10
2.1.3并行管线A-D转换器12
2.1.4 A-D转换器实现比较13
2.2低压A-D转换器设计注释16
2.3 A-D转换器模块21
2.3.1 S/H21
2.3.2运算放大器24
2.3.3锁存比较器27
2.4 A-D转换器：总结31
第3章 多步A-D转换器的设计33
3.1多步A-D转换器架构33
3.2非理想多步A-D转换器的设计注意事项36
3.3时间交错的前端S/H电路39
3.3.1时间交错架构40
3.3.2 S/H单元的匹配44
3.3.3电路设计49
3.4多步A-D转换器级设计53
3.4.1粗略量化53
3.4.2精细量化58
3.5中间级设计和校准67
3.5.1子D-A转换器设计67
3.5.2残差放大器69
3.6实验结果76
3.7小结80
第4章 多步A-D转换器的测试82
4.1准静态结构试验的模拟ATPG82
4.1.1测试策略定义83
4.1.2基于准静态节点电压法的线性故障模型84
4.1.3决策标准和测试刺激优化92
4.2可测性概念的设计98
4.2.1功率扫描链DfT100
4.2.2应用实例105
4.3用于BIST的片上激励的产生113
4.3.1连续和离散时间电路拓扑114
4.3.2连续和离散时间波形发生器的设计123
4.4内置自测概念的注释131
4.5深亚微米CMOS工艺的随机分析可靠电路设计136
4.5.1用于过程变异性分析的随机MNA136
4.5.2噪声分析的随机MNA138
4.5.3应用示例140
4.6小结144
第5章 多步A-D转换器的调试146
5.1传感器网络概念146
5.1.1观察策略147
5.1.2集成传感器149
5.1.3决策窗口和应用限制152
5.1.4 DLPM电路设计155
5.1.5温度传感器160
5.2模板级过程变化的估计163
5.2.1预期大化算法163
5.2.2向量机限制估计器166
5.3多步A-D转换器级的调试168
5.3.1质量标准168
5.3.2估算方法169
5.4 DfT用于多步转换器的完全可访问性173
5.4.1测试控制块177
5.4.2模拟测试控制块178
5.5时间交织系统的调试180
5.6前景校准184
5.7实验结果187
5.7.1 A-D测试窗口生成/更新的结果应用191
5.7.2 A-D转换器调试和校准的结果应用195
5.8小结202
第6章 结论和建议203
6.1结果概述203
6.2推荐和未来研究204
附录 205
附录A 205
A.1时间不匹配205
A.2偏移不匹配206
A.3增益不匹配207
A.4带宽不匹配207
A.5一般表达式208
附录B 208
B.1使用正弦波的A-D转换器非线性的直方图测量208
B.2均方误差210
B.3测量不确定性211
参考文献213

《低功耗高分辨率A/D转换器设计与应用》 引言 在当今数字信息爆炸的时代，模拟信号向数字信号的转换是实现各种电子系统功能的核心环节。模数转换器（ADC）作为连接模拟世界与数字世界的桥梁，其性能的优劣直接决定了整个系统的精度、功耗和速度。特别是在便携式设备、物联网终端、医疗监测以及精密仪器等对功耗和分辨率有着极高要求的应用领域，设计出低功耗、高分辨率的A/D转换器成为了一个重要的研究课题和技术挑战。 本书将深入探讨低功耗、高分辨率A/D转换器的设计原理、关键技术、电路实现以及在深亚微米CMOS工艺下的优化策略。我们将从A/D转换的基础理论出发，逐步深入到各种主流的A/D转换器架构，并重点分析如何通过精巧的电路设计和工艺优化来实现功耗和分辨率的双重提升。同时，本书还将结合实际应用需求，探讨A/D转换器在现代电子系统中的重要作用和发展趋势。 第一章：A/D转换基础理论 本章将为读者构建扎实的A/D转换基础知识体系。我们将详细介绍： 模拟信号与数字信号： 阐述模拟信号的连续性和数字信号的离散性，以及它们在实际应用中的区别与联系。 A/D转换的基本流程： 详细讲解采样、量化和编码这三个核心步骤，理解其物理意义和数学模型。 采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem）： 深入理解奈奎斯特频率的概念，解释采样频率对信号保真度的影响，以及过采样和欠采样的技术。 量化误差（Quantization Error）： 分析量化过程引入的误差来源，包括量化噪声，并介绍如何通过增加分辨率来减小量化误差。 分辨率（Resolution）： 定义A/D转换器的分辨率，解释其与比特数（bits）的关系，以及分辨率对信号动态范围的影响。 采样速率（Sampling Rate）： 定义采样速率，阐述其与系统实时性的关系，以及不同应用场景对采样速率的需求。 信号噪声比（SNR）和有效比特数（ENOB）： 介绍评价A/D转换器性能的重要指标SNR，以及ENOB如何综合考虑了噪声和失真对转换精度的影响。 非线性误差（Non-linearity Errors）： 讲解积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）的概念，以及它们对转换精度的破坏性影响。 功耗与性能的权衡（Power-Performance Trade-off）： 探讨A/D转换器设计中普遍存在的功耗与分辨率、采样速率之间的相互制约关系，以及如何寻找最优的设计点。 第二章：主流A/D转换器架构分析 本章将详细剖析几种主流的A/D转换器架构，深入理解它们的内部工作原理、优缺点以及适用场景。 逐次逼近型A/D转换器（SAR ADC）： 工作原理：详细讲解SAR ADC基于比较器和数字-模拟转换器（DAC）逐次逼近的转换过程。 电路实现：介绍SAR ADC的关键电路模块，如采样保持电路（S/H）、比较器、SAR逻辑控制器和DAC。 优点与缺点：分析SAR ADC的线性度好、功耗相对较低、易于集成等优点，以及其转换速度受内部DAC和比较器速度限制的局限性。 低功耗优化：探讨如何通过降低电源电压、优化采样保持电路和DAC设计来实现SAR ADC的低功耗。 流水线型A/D转换器（Pipeline ADC）： 工作原理：阐述Pipeline ADC利用多个级联的低分辨率ADC和DAC，通过流水线工作方式提高转换速率的原理。 电路实现：介绍Pipeline ADC的核心单元——多位ADC（MADC）模块，包括其中的MDAC（Multiplying DAC）以及后级ADC。 优点与缺点：分析Pipeline ADC的转换速度高、分辨率可达较高水平的优势，以及其对DAC和ADC精度要求高、功耗较大的缺点。 低功耗优化：探讨如何通过降低各级ADC/DAC的转换精度要求、采用共享时钟和电源等策略来降低功耗。 Σ-Δ调制器型A/D转换器（Sigma-Delta ADC）： 工作原理：深入讲解Σ-Δ ADC利用过采样和噪声整形技术来提高有效分辨率的原理，重点分析调制器（Modulator）和数字滤波器（Digital Filter）的作用。 电路实现：介绍Σ-Δ调制器的关键组成部分，如积分器、量化器和反馈DAC，以及数字滤波器的结构和作用。 优点与缺点：分析Σ-Δ ADC具有极高的分辨率、对输入信号动态范围要求较低的显著优点，但其转换速度相对较慢、对数字信号处理能力要求高是其局限性。 低功耗优化：探讨如何通过优化调制器阶数、采用低功耗数字滤波器结构以及降低过采样率等方法来降低功耗。 过采样率（OSR）和噪声整形（Noise Shaping）： 详细解释过采样率的概念及其对噪声的影响。 深入阐述噪声整形原理，说明如何将量化噪声推移到信号带宽之外，从而提高有效分辨率。 第三章：深亚微米CMOS工艺下的A/D转换器设计 本章将聚焦于现代深亚微米CMOS工艺对A/D转换器设计带来的机遇与挑战，并探讨相应的优化策略。 深亚微米CMOS工艺特性： 器件特性： 分析短沟道效应、阈值电压漂移、栅氧化层变薄等问题对ADC性能的影响。 互连线效应： 讨论互连线寄生电阻和电容对信号完整性和速度的影响。 功耗挑战： 阐述漏电流、动态功耗随工艺尺寸缩小而带来的功耗挑战。 低电压操作： 讨论在低电源电压下设计的策略，包括器件选择和偏置设计。 低功耗设计技术： 动态功耗优化： 时钟门控（Clock Gating）： 介绍通过选择性地关闭不工作的模块时钟来减少动态功耗。 低电压设计（Low Voltage Design）： 讨论如何通过降低电源电压来降低动态功耗，以及相关的设计挑战。 门控时钟（Clock Speed Optimization）： 分析如何根据实际需求调整时钟频率，避免不必要的功耗。 静态功耗优化： 门控漏电流（Leakage Current Control）： 探讨采用高阈值电压（High-Vt）和低阈值电压（Low-Vt）晶体管混合设计，以及选择性关断非关键路径的策略。 电源门控（Power Gating）： 介绍如何通过关闭不使用的模块电源来大幅降低静态功耗。 电路架构优化： 共享元件技术（Shared Component Techniques）： 探讨如何通过共享ADC核心模块，如DAC或比较器，来减少整体元件数量和功耗。 自适应偏置技术（Adaptive Biasing Techniques）： 介绍如何根据信号动态范围和工作条件动态调整电路偏置，以优化功耗。 数字辅助功耗管理： 探讨如何利用数字控制电路实现动态功耗调节和功率门控。 高分辨率设计技术： 匹配与失配（Matching and Mismatch）： 详细分析MOS晶体管的失配如何导致DNL和INL误差，并介绍提高器件匹配度的技术，如器件尺寸、版图设计和校准技术。 寄生效应抑制： 探讨如何通过版图设计、工艺选项来减小寄生电容和寄生电阻对信号完整性的影响。 噪声抑制技术： 采样保持电路设计（Sample-and-Hold Circuit Design）： 优化S/H电路以减小开关注入效应和跟踪误差。 差分电路设计（Differential Circuit Design）： 利用差分信号传输来抑制共模噪声。 噪声滤波（Noise Filtering）： 在数字域或模拟域采用滤波器技术来减小噪声。 校准技术（Calibration Techniques）： 介绍数字校准和模拟校准方法，用于补偿器件失配和工艺变化带来的非线性误差，从而提高整体分辨率。 第四章：关键电路模块设计与优化 本章将深入剖析A/D转换器中的几个关键电路模块，并针对低功耗和高分辨率目标进行设计和优化。 采样保持电路（Sample-and-Hold Circuit）： 设计目标：低截止（Aperture Delay）、低抖动（Jitter）、高输入阻抗、低输出阻抗、低功耗。 电路拓扑：介绍不同类型的S/H电路，如电荷注入型、开关电容型等，并分析其优缺点。 低功耗优化：讨论减小栅漏电流、优化开关控制信号、采用低驱动电流的缓冲器等方法。 高分辨率优化：分析如何减小开关注入效应、驱动非线性误差，以及提高跟踪精度。 比较器（Comparator）： 设计目标：快速响应、低延迟、高增益、低功耗、低输入失调电压。 电路拓扑：介绍各种类型的比较器，如二阶、三阶、动态比较器等，并分析其特性。 低功耗优化：讨论如何通过动态偏置、减少时钟驱动、优化输出级设计等来实现低功耗。 高分辨率优化：分析如何减小输入失调电压、提高灵敏度，以及抑制噪声。 数字-模拟转换器（DAC）： 设计目标：高线性度、低偏移、低增益误差、低功耗、快速转换。 电路拓扑：介绍电阻网络型DAC（R-2R）、电容阵列型DAC（Capacitor Array）、字符串DAC（String DAC）等。 低功耗优化：讨论如何优化电阻精度、减小驱动电流、采用电源复用等策略。 高分辨率优化：分析如何减小匹配误差、开关效应、以及提高编码精度。 数字滤波器（Digital Filter）与后处理电路： 针对Σ-Δ ADC，详细讲解数字滤波器的作用，包括抗混叠滤波、抽取滤波等。 介绍常用的数字滤波器结构，如FIR滤波器和IIR滤波器，以及在低功耗设计下的权衡。 讨论数字信号处理对ADC性能提升的作用，如数字校准、噪声补偿等。 第五章：A/D转换器在深亚微米CMOS工艺中的版图设计与验证 本章将重点关注A/D转换器在实际流片过程中的版图设计和验证环节，确保设计目标得以实现。 版图设计原则： 器件匹配： 详细讲解提高MOS晶体管匹配度的版图技术，如对称性设计、共质心技术（Common Centroid）、哑区（Dummy Devices）的使用。 寄生效应的考虑： 分析金属走线、通孔、衬底耦合等寄生效应，并提出相应的版图布局策略来减小其影响。 噪声耦合抑制： 讨论数字信号和模拟信号的隔离，电源和地线的规划，以及噪声敏感区域的屏蔽。 热效应管理： 考虑高密度设计可能带来的热效应，以及如何在版图上进行散热设计。 物理验证（Physical Verification）： 设计规则检查（DRC）： 确保版图符合工艺厂商的设计规则。 版图与原理图提取（LVS）： 验证版图与电路原理图的一致性。 寄生参数提取（Parasitic Extraction）： 提取电路的寄生电阻和电容，用于后续的电路仿真。 仿真与验证： 电路级仿真： 使用SPICE等工具进行详细的电路仿真，验证ADC的各项性能指标，包括功耗、分辨率、线性度、速度等。 版图后仿真（Post-Layout Simulation）： 结合提取的寄生参数进行仿真，获得更接近实际流片性能的结果。 功耗分析： 详细分析静态和动态功耗，并进行优化。 噪声分析： 仿真并分析ADC的输出噪声，评估SNR和ENOB。 瞬态分析： 验证ADC在不同输入信号下的响应行为。 第六章：A/D转换器在低功耗高分辨率应用中的实例分析 本章将通过具体的应用案例，展示低功耗高分辨率A/D转换器的设计理念和实现方式。 案例一：便携式医疗监测设备中的A/D转换器： 应用需求分析：低功耗、高分辨率、小型化、高可靠性。 典型架构选择：SAR ADC或低功耗Pipeline ADC。 关键设计考虑：电池寿命优化、生物信号采集精度、抗干扰能力。 案例二：物联网（IoT）传感器节点中的A/D转换器： 应用需求分析：极低功耗、适度分辨率、成本敏感。 典型架构选择：低功耗SAR ADC或Σ-Δ ADC（针对特定应用）。 关键设计考虑：超低漏电流、睡眠模式管理、无线传输功耗的权衡。 案例三：高性能数据采集系统中的A/D转换器： 应用需求分析：高采样速率、高分辨率、宽动态范围。 典型架构选择：高性能Pipeline ADC或Σ-Δ ADC。 关键设计考虑：信号完整性、时钟抖动控制、数字信号处理能力。 案例分析的具体内容将包括： 针对具体应用场景的需求分析。 选择合适的ADC架构及其理由。 重点介绍在低功耗和高分辨率方面采取的关键设计措施。 仿真结果展示与性能评估。 结论与展望 本书系统地介绍了低功耗高分辨率A/D转换器的设计原理、关键技术和实现方法，尤其是在深亚微米CMOS工艺下的优化策略。我们从基础理论出发，深入分析了主流ADC架构，探讨了低功耗和高分辨率设计的挑战与解决方案，并结合实例展示了实际应用中的设计考量。 未来，随着半导体工艺的不断进步和应用需求的日益增长，低功耗高分辨率A/D转换器的研究将继续深化。诸如自适应采样率、机器学习辅助设计、新材料和新器件的应用等都将是未来的重要发展方向。本研究方向将继续推动集成电路技术在更广泛、更严苛的应用领域取得突破。 参考文献 （此处将列出本书参考的学术论文、技术文档、书籍等）

评分☆☆☆☆☆

这本书的题目，如同一份精炼的科技摘要，迅速勾勒出其研究的核心领域——“低功率 高分辨率的A-D转换器”。“A-D转换”和“模-数转换”的同义词并列，以及“ADC”这个通用缩写，都在强调其主题的明确性。而“DfT”和“深亚微米CMOS”的加入，则为这本书增添了深度和前沿性。首先，“低功率”和“高分辨率”的并存，是ADC设计中最具挑战性的目标之一。在许多应用场景下，例如可穿戴设备、医疗监测设备，或者电池寿命至关重要的传感器网络，低功耗是首要考虑因素；而在科学仪器、高精度数据采集、或者高端音频/视频设备中，高分辨率又是不可妥协的要求。如何在这两者之间找到最佳的平衡点，甚至是实现突破性的创新，是本书有望揭示的。其次，“深亚微米CMOS”工艺背景，意味着本书将深入探讨在当前最先进的半导体制造技术下，ADC的设计方法和面临的挑战。在这个尺度下，器件的物理特性、寄生效应、以及工艺 Variations 都对ADC的性能和功耗产生显著影响。最后，“DfT”（Design for Testability）的提及，表明本书不仅仅关注ADC的功能和性能，还非常重视芯片的可测试性。在日益复杂的深亚微米CMOS电路中，设计易于测试的电路，对于降低生产成本、提高良率至关重要。这本书的组合，预示着它将是一本关于如何在最先进工艺下，设计出高性能、低功耗且易于测试的ADC的权威著作。

评分☆☆☆☆☆

当我翻开这本书，一股严谨的学术氛围扑面而来。书名中的“DfT”——Design for Testability（可测试性设计），让我意识到这本书不仅仅关注ADC本身的性能指标，更着眼于其在实际生产和应用中的可制造性与可靠性。在深亚微米CMOS工艺下，芯片的复杂度和尺寸都达到了前所未有的水平，传统的测试方法往往难以覆盖所有潜在的故障模式，导致良率下降和潜在的产品缺陷。因此，将可测试性设计融入到ADC的早期设计阶段，就显得尤为重要。我猜想书中会详细阐述如何在ADC架构、电路单元的设计中考虑测试点、内建自测（BIST）等策略，从而在设计阶段就为后续的测试和验证打下基础。这对于任何从事芯片设计和制造的工程师来说，都是一项至关重要的技能。高分辨率ADC的复杂模拟电路，加上深亚微米CMOS工艺带来的寄生效应和器件变异，使得其可测试性设计挑战更加突出。这本书的切入点非常具有前瞻性，它预示着这本书将不仅仅是一本技术手册，更可能是一本关于如何高效、可靠地开发和生产先进ADC的实战指南。我迫不及待想知道书中是如何将DfT的理念巧妙地融入到低功耗、高分辨率ADC的设计中的，这其中的权衡与取舍一定充满智慧。

评分☆☆☆☆☆

初览此书，其标题“低功率 高分辨率的A-D转换器 A-D转换 模-数转换 ADC DfT 深亚微米CMOS”就如同一个精心设计的导航图，指引着我探索当今微电子领域最核心的技术挑战之一。特别是“深亚微米CMOS”这个词，立刻将我的思绪拉回到当前半导体制造工艺的最前沿。在如此精密的工艺节点下，电子元件的行为变得更加微妙，寄生效应显著，漏电流控制成为难题，而这些都直接影响着ADC的功耗和性能。这本书将“低功率”与“高分辨率”并置，清晰地表达了其核心主题——如何在功耗极其受限的情况下，实现对模拟信号的超高精度量化。这在电池供电的便携式设备、低功耗物联网节点、以及要求极致灵敏度的传感器系统中，是不可或缺的技术。此外，“DfT”（Design for Testability）的引入，表明本书并未止步于单纯的性能优化，而是将芯片的可测试性这一实际生产中的关键环节纳入考量。这意味着书中很可能不仅仅提供理论上的设计框架，更会探讨如何通过优化设计来简化测试流程，降低测试成本，并提升整体芯片的良率。这种兼顾性能、功耗和可制造性的全方位视角，正是现代集成电路设计所亟需的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名就透露着一股硬核的科技感——“低功率 高分辨率的A-D转换器 A-D转换 模-数转换 ADC DfT 深亚微米CMOS”。光是看到“低功率”和“高分辨率”的组合，就足以勾起我对高性能模数转换器（ADC）领域的好奇心。在当今电子设备日益小型化、功耗控制愈发关键的时代，如何同时实现精准的信号捕捉和极致的能效，无疑是工程师们面临的一大挑战。而“深亚微米CMOS”的字样，更是将研究的焦点锁定在了最前沿的半导体工艺上，预示着书中很可能深入探讨了在纳米尺度下，如何设计出性能卓越、功耗更低的ADC电路。ADC是连接模拟世界和数字世界的桥梁，其性能直接影响到传感器数据的精度、通信系统的质量以及各种嵌入式系统的效率。尤其是高分辨率ADC，在医疗影像、科学仪器、高精度测量等领域有着不可替代的作用。而低功耗的需求，则让它在便携式设备、物联网节点、甚至一些对散热有严格要求的应用中显得尤为重要。这本书的出现，似乎正是我在寻找的那本能够填补我在这两个关键点之间技术鸿沟的宝藏。我期待它能提供切实可行的设计思路和电路优化方案，帮助我理解如何在复杂的CMOS工艺下，平衡甚至突破功率与分辨率的固有 trade-off。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题“低功率 高分辨率的A-D转换器 A-D转换 模-数转换 ADC DfT 深亚微米CMOS”直击当前电子工程领域的核心痛点。我首先注意到的是“低功率”和“高分辨率”的组合。在日益普及的便携式电子设备、物联网传感器以及对续航要求极高的应用场景下，如何实现尽可能低的功耗消耗是工程师们必须攻克的难题。然而，在许多需要精确数据采集的场合，例如医疗诊断、环境监测、科学实验等，高分辨率的模数转换又是必不可少的。因此，这本书提出的目标——在保证高分辨率的同时，实现低功耗，无疑抓住了行业的脉搏。紧随其后的“A-D转换”、“模-数转换”以及“ADC”这些同义词，都在强调本书的主题——模数转换器。而“DfT”（Design for Testability）这个术语的出现，则让我眼前一亮。在深亚微米CMOS工艺下，芯片的设计复杂度呈指数级增长，如何确保这些复杂的ADC能够在生产线上被高效、准确地测试，从而保证其可靠性和良率，是另一项巨大的挑战。这本书将DfT与ADC设计相结合，预示着它将提供关于如何在设计阶段就考虑可测试性，从而简化后续测试流程、降低制造成本的宝贵见解。最后，“深亚微米CMOS”点明了本书的研究背景，即最前沿的半导体制造工艺。在这个工艺节点下，各种物理效应变得更加显著，对ADC的设计和实现提出了新的要求。这本书的综合性，表明它将为读者提供一个在最先进技术下，全面解决低功耗、高分辨率ADC设计与测试问题的解决方案。