目前，由于SAR邏輯越來越像數(shù)字化發(fā)展，比較器和開關(guān)電容陣列的功耗成為了SAR ADC功耗優(yōu)化的核心問題。
前言
低功耗 SAR ADC 主要應(yīng)用于中低精度(一般不超過10bit)、低速(采樣率一般不超過1MS/s)的應(yīng)用場合中。在這種精度和采樣速度條件下，SAR ADC 內(nèi)部的DAC的匹配精度在現(xiàn)今的制造工藝下一般可以比較容易地達到，所以不需要對ADC 進行額外的校準或者修調(diào)。SAR ADC 也不需要額外的模擬電路單元，其功耗便主要在開關(guān)狀態(tài)的切換過程中由電容陣列所消耗。基于上述原因，對SAR ADC 的功耗的優(yōu)化主要就通過改進電容陣列開關(guān)時序來實現(xiàn)。
單調(diào)開關(guān)時序
1.monotonic 開關(guān)時序
2010 年，臺灣成功大學(xué)的C.C.Liu 等人提出了著名的monotonic 開關(guān)時序，并在0.13-μm CMOS 工藝下設(shè)計出一款10bit 50MS/s 的低功耗SAR ADC，Monotonic 開關(guān)時序的逐次逼近如圖所示：
下面是我推導(dǎo)的原理：
該時序采樣上極板采樣技術(shù)，在采樣階段，所有電容的下級板全部接至參考源Vref。然后進入AD 轉(zhuǎn)換階段，由于采用了上極板采樣，SAR ADC 能夠在保持所有電容的開關(guān)狀態(tài)不變的情況下直接進行比較，從而確定MSB。然后根據(jù)MSB 的結(jié)果，更新電容陣列的開關(guān)狀態(tài)。例如，如果MSB=“1”,則將接至比較器同相端的電容陣列的MSB 電容從Vref 接至GND,而其他電容的連接狀態(tài)保持不變。這樣，將比較器同相端的電壓降低1/2Vref，而比較器反相端的電壓保持不變，為下一次比較作準備。反之，如果MSB=“0”,則將接至比較器反相端的電容陣列的MSB電容從Vref 接至GND, 而其他電容的連接狀態(tài)保持不變。從而將比較器反相端的電壓降低1/2Vref。以此類推，直至數(shù)字輸出碼從MSB到LSB 全部確定后，ADC 完成了一次轉(zhuǎn)換。
2.monotonic 開關(guān)時序電容值確定
如果考慮電容存在失配的情況下，并且假設(shè)電容陣列中單位電容服從C0、方差為δ0 的正態(tài)分布，則電容陣列中各權(quán)重的電容可以表示為：
其中，δn 為Cn 的電容失配值。如果n 個單位電容并聯(lián)連接組成電容nC0，則并聯(lián)總電容的失配的概率分布可以視作n 個失配滿足同一正態(tài)分布的變量的相加后的概率分布。于是，可以得出:
以 3bit SAR ADC 為例，從monotonic 開關(guān)時序圖可以看出，當(dāng)數(shù)字輸出碼在“100”和“011”之間跳變時，將產(chǎn)生最大的DNL，對采用monotonic開關(guān)時序的N-bit 的SAR ADC 而言，在最大DNL 發(fā)生的時候，共有(2^N-2)個單位電容的端電壓改變了Vref，可以得出最大DNL 的分布滿足:
將LSB代入，得：
這樣，根據(jù)需要的DNL分布和單位電容的失配可以確定電容值。
2.Vcm-based 開關(guān)時序
2010 年，澳門大學(xué)的Y. Zhu 等人提出了Vcm-based 開關(guān)時序，并應(yīng)用該時序在90nm CMOS 工藝下設(shè)計出一款10bit 100MS/s 的低功耗SAR ADC。其結(jié)構(gòu)如圖所示：
?文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-531622.html
為了抑制共模噪聲的影響，SAR ADC 一般采取差分輸入的結(jié)構(gòu)。如果采用上極板采樣，在采樣階段，所有電容的下級板全部接至Vcm(Vcm=?Vref)，上極板對輸入信號進行采樣。然后在轉(zhuǎn)換階段，由于采用了上極板采樣，SAR ADC 能夠在保持所有電容的開關(guān)狀態(tài)不變的情況下直接進行比較，從而確定MSB。然后根據(jù)MSB 的結(jié)果，更新電容陣列的開關(guān)狀態(tài)。例如，如果MSB=“1”,則將接至比較器同相端的電容陣列的MSB 電容從Vcm 接至GND,同時將接至比較器反相端的電容陣列的MSB 電容從Vcm 接至Vref，為下一次比較作準備。反之，如果MSB=“0”，則將接至比較器反相端的電容陣列的MSB 電容從Vcm 接至GND，同時將接至比較器同相端的電容陣列的MSB 電容從Vcm 接至Vref。以此類推，直至數(shù)字輸出碼從MSB 到LSB 全部確定后，ADC 完成了一次轉(zhuǎn)換。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-531622.html
到了這里，關(guān)于高速SAR ADC 關(guān)鍵技術(shù)研究和實現(xiàn)（三）：DAC陣列的優(yōu)化的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
