在流水线模数转换器(Pipeline ADC)电路中, 栅压自举开关中的非线性电容会对开关管的导通电阻产生直接的影响, 导致采样非线性。设计了一种三路径的高线性度栅压自举开关, 采用三个自举电容, 分别构成两条主路径和一条辅助路径, 使得输入信号在通过两条主路径传输到开关管栅端时加快栅端电压的建立, 同时利用辅助路径驱动非线性电容, 减少电路中非线性电容对采样电路线性度的影响, 从而增强信号驱动能力, 提高整体电路的精度。本文设计的栅压自举开关应用于14 bit 500 MHz流水线ADC的采样保持电路中。采用TSMC 28 nm CMOS工艺进行电路设计。仿真结果表明, 在输入频率为249 MHz, 采样频率为500 MHz的条件下, 该栅压自举开关的信噪比(SNDR)达到92.85 dB, 无杂散动态范围(SFDR)达到110.98 dB。

为了在轻重负载条件下获得更高的转换效率, 采用分段式结构和导通电阻更小的NMOS作为输入级, 并采用PWM/PFM双调制方式, 设计了一种Buck型DC-DC转换器。为解决PWM/PFM调制信号切换问题, 采用零电流检测方式进行切换。利用断续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)下端NMOS管导通时电感电压的不同, 检测下端NMOS在导通时电感电压大于零的周期。当电感电压大于零的周期大于2时, 则处于DCM模式并自动采用PFM调制模式, 关闭一部分功率管以减小开关频率和功率管寄生电容, 优化轻载效率; 反之则处于CCM模式并采用PWM调制。仿真结果表明, 在负载电流10~1 000 mA范围内, 该电路可以在两种调制模式平稳切换, 在800 mA时峰值效率可提升到96%以上。

在降压转换器中, 为了在不同的负载情况下获得高效率, 常采用的方法是在重载时使用脉冲宽度调制(PWM), 在轻载时使用脉冲频率调制(PFM), 因此需要模式切换信号去控制整个降压转换器的工作状态, 同时模式切换信号也可以用于自适应改变功率级电路中的功率管栅宽, 减小功率管的栅极电容, 提高整体电路的效率。文章设计了一个自适应峰值电流模式切换电路, 用于产生模式切换信号, 其原理是监控峰值电流的变化, 产生峰值电压, 将峰值电压与参考电压进行比较, 得到模式切换信号, 以决定降压转换器是采用PFM模式还是PWM模式。仿真结果表明, 在负载电流05~500 mA范围内, 该电路可以在两种调制模式之间平稳切换, 其峰值效率可提升到94%以上。

提出了一种用于增量型Σ-Δ ADC的调制器设计的算法。该算法针对增量型Σ-Δ ADC中的积分器系数进行优化, 采用两步式搜索的方法, 对可能的最优解组合进行多次求解与对比分析。基于该算法, 设计了一种16位40 kS/s增量型Σ-Δ ADC。可以对ADC电路的有效精度和输入采样速率这两个性能指标进行有效调节及优化。仿真结果表明, 采用所提出的优化设计算法可以将ADC的输入采样速度由40 kS/s提升到51 kS/s, 或者将ADC的ENOB由1376 bit提高到1472 bit, 且不增加额外功耗。

为了解决高分辨率逐次逼近模数转换器(SAR ADC)中,电容式数模转换器(DAC)的电容失配导致精度下降的问题,提出了一种电容失配自测量方法,以及一种可适用于各种差分电容DAC设计的低复杂度的前台数字校准方法。该方法利用自身电容阵列及比较器完成位电容失配测量,基于电容失配的转换曲线分析,对每一位输出的权重进行修正,得到实际DAC电容大小对应的正确权重,完成数字校准。数模混合电路仿真结果表明,引入电容失配的16位SAR ADC,经该方法校准后,有效位数由10.74 bit提高到15.38 bit。

采用0.35 μm CMOS工艺，设计了一种用于CdZnTe探测器的16通道高速前端读出电路。整体电路由16个模拟通道、偏置模块和逻辑控制模块组成，每个通道包括电荷敏感放大器、漏电流补偿电路、成形器、基线保持电路、峰值检测保持电路和时间甄别器。分析了高入射频率下主要电路模块的性能及通道的读出时序。仿真结果表明，本前端读出电路的输入能量范围为29~430 keV@1~15 fC，每个通道功耗小于1.8 mW，等效噪声电荷为87.6e-，最大能补偿的漏电流为50 nA，达峰时间为150 ns，通道增益为50 mV/fC，非线性小于1%，最高注入频率为500 kHz。

基于65 nm CMOS工艺, 设计了一种高速低功耗二分搜索算法(Binary-Search)模数转换器(ADC)。与传统Binary-Search结构相比, 该ADC的比较器采用两级动态前置放大器和一级动态闩锁器组合构成, 减小了静态电流, 得到极低的功耗; 失调电压降低到不会引起判决误差, 省去了外接的数字校准模块。因此, 芯片面积减小, 避免了校准模块拖慢比较器的工作速度。后仿结果表明, 当采样频率为1 GHz时, 该Binary-Search ADC的有效位达4.59 bit, 功耗仅1.57 mW。

基于65 nm CMOS工艺设计了一种可用于脉冲神经网络系统的低功耗、高能效、结构紧凑的突触电路。突触电路采用开关电容电路结构, 直接接收来自神经元电路的脉冲信号, 根据脉冲时间依赖可塑性(STDP)学习规则调节突触权重, 并实现了权重学习窗口的非对称性调节, 使突触电路可以适应不同情况。仿真结果表明, 突触电路耗能约为0.4 pJ/spike。

为了解决PWM DC-DC在轻负载时转换效率骤降的问题，设计了一种分段输出级PWM DC-DC电路结构，用以优化轻负载时的转换效率。该设计引入了负载电流检测电路，对输出电流进行采样并检测。在重载情况下，所有功率MOSFET同时输出。当负载电流减小，逐级关闭各段功率MOSFET，直至在最轻载情况下用最小尺寸的功率MOSFET进行输出。实验结果表明，在1~200 mA负载范围内，电路的转换效率变化较为平缓；在负载为1 mA时，电路的转换效率为81%。

为了在较宽负载范围内获得高的转换效率，采用PWM调制与PSM调制相结合的调制模式，设计了一种混合调制方式DC-DC转换器。设计了一种简单的自适应调制方式切换电路，利用斜坡发生电路的斜坡下降沿，设计了一种新颖的最小占空比信号OSC、VRAMP信号和时钟信号VCLK同步发生电路，简化了电路规模。在轻负载时，采用占空比和输出电压同时检测的方法，将调制模式自动切入PSM调制模式，减小了开关电路工作频率，静态损耗减小了40%。采用65 nm CMOS工艺进行设计。仿真结果表明，该电路在两种调制方式之间可以平稳切换，1 mA负载时工作效率提升到863%。