[发明专利]石墨烯谐振式模数转换器

说明书

本发明公开了一种石墨烯谐振式模数转换器，由驱动电路、调制机构、石墨烯梁、拾振器、反馈电路、激振器、测频电路、解算装置组成，输入被测模拟量，输出数字量。驱动电路将输入的模拟量转换为中间信号。调制机构在中间信号控制下产生调制力，即作用于石墨烯梁上的轴向力。拾振器感受振动参数，产生拾振信号。反馈电路输入拾振信号，输出激振信号。激振器在激振信号控制下产生激振力，即作用于石墨烯梁上的法向力。测频电路测量谐振频率。解算装置将谐振频率的测量值代入换算函数进行计算，取所得的值即为石墨烯谐振式模数转换器输出的数字量。本发明能够有效地提高稳定性，拓宽工作温度范围，可实现较高的抗辐照性能。

技术领域

本发明属于模数转换器(ADC)技术领域，具体涉及一种石墨烯谐振式模数转换器。

背景技术

1.本发明的需求背景

本发明主要面向特殊领域的高性能测控系统或精密测量仪器。这些系统要求高质量处理中低频(30kHz～3MHz)模拟量，有时也处理高频(3MHz～30MHz)信号。对于ADC，要求兼顾交流性能和直流性能，可工作于宽温度范围(如-55℃～+125℃或更宽)。随着需求的发展，越来越倾向于在ASIC(应用定制集成电路)中内置ADC。某些场合还希望有一定的抗辐照指标要求。这类系统一般为半定制或面向行业用户的系列化产品，数量上属于中小批量，重在性能，允许略高的成本。

2.传统ADC技术现状与问题

传统ADC主要包括Pipeline、Sigma-Delta、SAR等结构，都属于开关电容电路，因此都使用集成电容器和MOS开关。根据具体结构，还可能用到模拟比较器或运算放大器。在测量绝对量值(而不是相对比例)的场合，还必须使用足够精确的电压基准。

ADC的直流性能指标包括分辨率(位数)、精度(零点和满量程误差)、稳定性(零点和满量程漂移)、非线性(INL、DNL)等，交流性能指标包括转换时间、采样率、SFDR等。电压基准的主要性能指标包括精度(初始误差)、稳定性(漂移)、噪声等。

影响ADC转换结果的因素包括：(1)元件自身，如集成电容器(精度、充放电特性)、MOS开关(电荷注入、导通电阻、漏电流)，运算放大器(输入失调、输入电流、漂移、压摆率)，模拟比较器(失调、输入电流、速度)；(2)关键元件的匹配精度；(3)原理设计与具体参数，如电容阵列规模、流水线级数、充放电电流、特殊技术措施(如利用电感加速充放电)等；(4)电压基准的性能。

其中，集成电容器通常由金属电极与二氧化硅绝缘介质构成，其特性受到边缘效应、介质tanδ参数、介质漏电流、杂散电容等众多物理因素的影响；运算放大器、模拟比较器和MOS开关均以MOS晶体管为基本元件，其性能从根本上受到MOS晶体管的栅-源效应、沟道效应和载流子迁移率等物理因素的影响；元件匹配精度依赖于版图技巧和工艺精度；阵列规模受成本、杂散电容、引线阻抗等因素制约；充放电电流受功耗、局部热效应等因素制约；电压基准的温度漂移是由带隙电路的物理规律决定的，由于带隙电路与补偿电路的温度曲线公式不同，本质上无法完全消除。

以下用具体数据说明问题。

针对本发明的需求背景，ADC的选型区间为20Msps～100Msps/14bit～16bit。流行的工业SoC处理器(如STM32系列)的片内ADC达不到要求，只考虑单片式高性能ADC产品。典型型号包括ADI公司的AD9265和Maxim公司的MAX19588。它们的INL优于3LSB甚至2LSB，零点漂移优于±2ppm/℃，满量程漂移优于±15ppm/℃，晶体管数量为10⁸量级，采用0.18μm级别的工艺。这些产品的单价为百美元量级，如果要处理很多路信号，成本较可观。