如何利用開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)設計一款10位精度的低功耗SAR ADC？

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（successive approximatiONregiSTer analog-to-digital converter，SAR ADC）是應用于采樣速率低于5，MHz 的中高分辨率的常見結(jié)構(gòu)，其分辨率一般為8~16 位，因制造工藝與現(xiàn)代數(shù)字CMOS 工藝的兼容性好，且易于在較低的工藝成本下實現(xiàn)，所以廣泛應用于現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路與片上系統(tǒng)（system-on-chip，SOC），如便攜式/電池供電儀表、筆輸入量化器、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號采集器等。

設計了一款10位低功耗SAR ADC，采用溫度計碼控制的開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)陣列控制數(shù)模（digital-to-analog，D/A）轉(zhuǎn)換器的動作，從而提高了D/A 轉(zhuǎn)換器的線性度并降低了ADC 的功耗。ADC 在 250，kHz 的采樣速度下實現(xiàn)了10 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，功耗小于2，mW。

1 SAR ADC的結(jié)構(gòu)和工作原理

傳統(tǒng)SAR ADC 的結(jié)構(gòu)主要包括5 個部分，分別是：采樣保持電路、模擬比較器、D/A 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器和邏輯控制單元。在很多實際電路中，采樣保持與D/A 轉(zhuǎn)換器合二為一。

SAR ADC 通過比較器對D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的參考電壓和采樣所得的模擬輸入電壓進行比較，由逐次逼近寄存器逐次地決定每一位數(shù)字碼，直到完成最低有效位（least significant bit，LSB）的轉(zhuǎn)換。SAR ADC采用二進制搜索算法來決定模數(shù)轉(zhuǎn)化過程中的數(shù)字碼值，N 位的SAR ADC需要進行N 步的轉(zhuǎn)化。

在SAR ADC 中，數(shù)字模塊消耗的功耗較小，整個SAR ADC的功耗主要集中在3 個方面。

（1）對采樣保持電容的充放電。

（2）對D/A轉(zhuǎn)換器中二進制加權(quán)電容的充放電。

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中比較器所消耗的功耗。

有關(guān)降低SAR ADC 功耗的文獻通常針對以上3個方面來提出電路結(jié)構(gòu)的改進方案，如在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中采用特殊結(jié)構(gòu)的電容陣列以及采用功耗較低的動態(tài)比較器等。

為了降低ADC 的整體功耗，筆者設計的D/A 轉(zhuǎn)換器采用了電荷分配型的結(jié)構(gòu)。與其他同類型ADC的最大區(qū)別在于用溫度計碼的開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)代替了常用的二進制碼開關(guān)來控制D/A 轉(zhuǎn)換器，從而合理優(yōu)化了電容陣列的開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)，減小了開關(guān)的動作頻率，既提高了D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率和線性度，同時又降低了整個系統(tǒng)的功耗。

2 基于開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器

2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

傳統(tǒng)型電荷分配型D/A 轉(zhuǎn)換器通常由一個二進制加權(quán)電容陣列、一個與LSB 等值的電容和開關(guān)陣列組成，其轉(zhuǎn)換過程可以分為3 個階段。

（1）采樣階段：此時，所有電容的上極板接地，下極板接輸入電壓，這樣，上極板存儲了與輸入電壓成正比的電荷，這些電荷在D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程中保持不變。

（2）保持階段：此階段，二進制加權(quán)電容的上極板接地開關(guān)斷開，下極板接地，引起電容陣列上極板的參考電壓的變化。

（3）再分配階段：此時，逐次逼近寄存器的最高位被置為1，即最大的電容2N-1C 的下極板連接到基準電壓Vref，在下一個時鐘周期來臨時，最大的電容的下極板的連接狀態(tài)是由比較器的比較結(jié)果決定的。同時次大的電容的下極板連接到基準電壓Vref.這個過程將會進行N 次，在每一個時鐘周期內(nèi)比較器的比較結(jié)果決定了原先被試探的電容的下極板接地或是接基準電壓Vref，同時將比試探電容小一半的那個電容設為試探電容，直到整個轉(zhuǎn)換過程完成，即最小電容的下極板狀態(tài)被決定。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的低功耗設計

所設計的開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)的D/A 轉(zhuǎn)換器如圖1 所示，其與傳統(tǒng)型D/A 的區(qū)別是將二進制加權(quán)電容陣列進行了分拆并加入了碼制轉(zhuǎn)換電路。碼制轉(zhuǎn)換電路將邏輯控制單元控制的寄存器的輸出二進制碼轉(zhuǎn)化成為溫度計碼，以溫度計碼來控制整個二進制加權(quán)電容陣列，以降低開關(guān)動作頻率。

圖1 D/A轉(zhuǎn)換器

以3 位D/A 轉(zhuǎn)換器為例來簡要說明。圖2（a）為三位的二進制碼到溫度計碼的編碼轉(zhuǎn)換圖；圖2（b）為二進制碼對應單位開關(guān)輸入碼圖。由圖2 可知，一旦比較器的輸出為0，即在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)輸入信號比D/A 轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的參考電壓小的情況，采用溫度計碼的開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)對減小開關(guān)動作頻率是有利的。將二進制碼轉(zhuǎn)換為溫度計碼只需通過一個簡單的編碼轉(zhuǎn)換電路就可以實現(xiàn)。

圖2 碼制轉(zhuǎn)換示意

2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的功耗分析

對于電容陣列中的電容，只有當其下極板連接到Vref 時，因充電產(chǎn)生功耗。設電容陣列的建立時間為T，則電容從Vref獲得的能量為：

由于電容兩端的電壓不能突變，故QC（0+）= QC（0-），且 iref（t） = -dQC/ dt ，故：

所以，可以計算每一次開關(guān)動作時D/A 的功耗。為了減少計算量，仍以3 位D/A 轉(zhuǎn)換器為例，對兩種D/A 轉(zhuǎn)換器的功耗進行比較，如圖3 所示，箭頭旁邊的數(shù)字為每一次開關(guān)動作時消耗的能量。圖3顯示當比較器比較的結(jié)果為0 時，采用的結(jié)構(gòu)所消耗的功耗小于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。顯然，所設計的D/A 轉(zhuǎn)換器的平均功耗遠小于傳統(tǒng)的D/A 轉(zhuǎn)換器。隨著ADC 位數(shù)的增加，這種平均功耗的降低效應將會更加顯著。10 位SAR ADC和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SAR ADC功耗對比如表1 所示，數(shù)據(jù)表明改進的SAR ADC 相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下降了21.5%。

圖3 改進的和傳統(tǒng)的D/A功耗分析

表1 SAR ADC測試結(jié)果

3 電路仿真與芯片測試

利用Cadence AMS作為仿真工具，對SAR ADC進行了功能仿真，采用FFT 法分析ADC 的動態(tài)性能，得到的頻譜圖如圖4 所示。仿真所得信噪失真比（SNDR）為60.472，dB.

圖4 電路仿真的FFT頻譜

基于Chartered 0.35，μm，2P4M 工藝，完成了電路的版圖設計，其中單位電容均采用工藝偏差相對較小的poly-poly 電容。圖5 給出了經(jīng)MPW 流片SARADC 芯片圖。由于電路的非線性與電路的元件匹配有關(guān)，其匹配性越好，其線性度越高，因此版圖設計中采用了一系列手段以提高電容陣列的匹配性，包括采用“共質(zhì)心”結(jié)構(gòu)布置版圖，降低因芯片面積加大帶來的氧化層梯度的影響；電容陣列周邊采用“虛擬”結(jié)構(gòu)；單位電容采用固定的周長/面積比等。對比表1中的無失真動態(tài)范圍參數(shù)，可以看出線性度提高了11.78%.

圖5 SAR ADC芯片

使用TeKtronix TLA5204B 邏輯分析儀和TDS3052B 示波器等工具對MPW 流片回來的芯片進行了測試。圖6 給出了D/A 的測試結(jié)果，其中EOB 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，dac_out 為D/A 輸出信號；SAR ADC在250，kHz 的轉(zhuǎn)換速率下的實測積分非線性（Integralnonlinearity，INL）誤差和微分非線性（differnetialnonlinearity，DNL）誤差特性曲線［14］如圖7 所示。

圖6 D/A的測試結(jié)果

圖7 SAR ADC的INL和DNL的實測曲線

表1 顯示了10 位SAR ADC 的整體性能。比較流片后測試結(jié)果和仿真結(jié)果可見所設計的SAR ADC較好地達到了低功耗的設計要求，性能良好。

4 結(jié) 語

完成了一款基于開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)的SAR ADC 設計。其中的D/A 轉(zhuǎn)換器由溫度計碼的開關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)來控制，從而減小了開關(guān)的動作頻率，降低了整個系統(tǒng)的功耗。測試結(jié)果顯示，設計的SAR ADC 實現(xiàn)了10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換速率為250 kHz，INL 和DNL 均小于1 個LSB，功耗小于2 mW，表明該電路較好地達到了設計要求。