逐次逼近（SAR）模数转换器进展

介绍了逐次逼近模数转换器（SAR－ADC）的原理结构和研究现状,主要对SAR－ADC 中的DAC、比较器、校准方法等主要模块进行了讨论。基于精度、速度、功耗的考虑,分别对SAR－ADC中的DAC结构进行分析比较,其多采用分段电容阵列或差分电容阵列。简述了比较器在功耗、速度、精度方面的结构调整。基于降低非理想效应,提高精度目的,对比分析了3种校准方法。为不同电路选择适当校准提供参考依据。最后总结了目前SAR－ADC的发展趋势。     

一种采用电阻串复用结构的12位SAR ADC

针对带数字校准功能的逐次逼近模/数转换器(SAR ADC),提出将主DAC、校准DAC和基准电压产生电路的电阻串进行复用,从而显著减少了芯片面积,降低了功耗。相比6+6两段电容结构DAC,采用电阻电容混合结构的主DAC和校准DAC节约了37%的版图面积。在0.18μm CMOS工艺下,通过Hspice仿真,SAR ADC的DNL和INL均小于0.4LSB,SNR为75dB。系统正常工作时,总功耗为3.1mW,比不采用电阻串复用的结构减少0.9mW。     

一种用于14 bit SAR ADC的DAC设计

本文设计了用于14bit逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）的DAC电路。针对该DAC,介绍一种全差分分段电容阵列结构以缩小DAC的版图面积;高二位权电容采用热码控制,用以改善高位电容在转换时跳变的尖峰以及DAC的单调性;对电容阵列采用数字校准技术,减小电容阵列存在的失配,以提高SAR ADC精度。校准前,SAR ADC的INL达到10LSB,DNL达到4LSB;与校准前相比,校准后,INL〈0.5LSB,DNL〈0.6LSB。仿真结果表明,本DAC设计极大改善SAR ADC的性能,已达到设计要求。     

一种用于视频采集10bit低功耗SARADC的设计

本文通过对逐次逼近型ADC原理的分析,设计了一种用于视频采集10 bit,900KS/s的逐次逼近型模拟数字转换器(SAR ADC),该模数转换器主要由采样保持、DAC、比较器和数字逻辑控制器组成。其中,DAC采用电荷定标型结构,利用对称电容阵列结构减少电容所占面积,同时提高缩放电容的匹配精度;比较器采用三级预放大器加一级动态锁存器结构,并且该比较器采用了失调校准技术来提高比较器的精度。电路采用SMIC 0.13um 1P6M CMOS工艺进行设计,仿真结果表明,在900KS/s的采样速率下,有效位数可达8.7bit,功耗仅为1.02mW。     

一种基于电压窗口技术的超低功耗SAR ADC

本文提出了一种应用于生物医学的超低功耗逐次逼近型模数转换器(SAR ADC).针对SAR ADC主要模块进行超低功耗设计.数模转换(DAC)电路采用vcm-based以及分段电容阵列结构来减小其总电容,从而降低了DAC功耗.同时提出了电压窗口的方法在不降低比较器精度的情况下减小其功耗.此外,采用堆栈以及多阈值晶体管结构来减小低频下的漏电流.在55nm工艺下进行设计和仿真,在0.6V电源电压以及l0kS/s的采样频率下,ADC的信噪失真比(SNDR)为73.3dB,总功耗为432nW,品质因数(FOM)为11.4fJ/Conv.     

用于碲锌镉探测器前端读出电路的SAR ADC设计

针对碲锌镉探测器前端读出电路要求低功耗、低噪声、高精度的特点,设计了一种12-bit、1Ms/s的逐次逼近式模数转换器(SAR ADC).该模数转换器由数模转换器(DAC)和比较器等组成.其中DAC采用电荷按比例缩放结构,利用电荷守恒原理,提高了缩放电容的匹配精度.比较器采用多级预放大器级联的动态锁存器结构,采用输出失调校准技术提高了比较器的精度.整个电路采用TSMC 0.18μm 1P6M CMOS混合工艺进行设计和实现.仿真结果表明,在1MHz的采样率、输入为97KHz正弦信号下,SAR ADC的DNL为-0.1/0.37LSB,INL为-0.44/0.32LSB,SNR为65.33dB,ENOB为10.55bit,功耗为1.17mW,满足了系统的设计要求.     

基于16位SAR模数转换器的误差校准方法

为了实现较高精度(16位及更高)的逐次逼近(SAR)ADC,提出了一种误差自动校准技术。考虑到芯片面积、功耗和精度的折中,采用了电荷再分配分段电容DAC结构,并采用准差分输入方式提高ADC的信噪比。为了消除电容失配引入的误差,提出了一种误差自动校准算法,利用误差校准DAC阵列对电容失配误差进行量化并存储在RAM中,在AD转换过程中实现误差消除。     

红外焦平面读出电路集成数字输出

为了实现红外焦平面数字化输出,设计了一种集成片上模数转换的焦平面读出电路,包括一个512512的读出电路单元阵列和列共享的逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)。单元读出电路采用了直接注入(DI)结构作为输入级,输出的信号通过多路传输送到模数转换器。设计的逐次逼近型的模数转换器中的比较器采用的是由前置放大器、锁存器、自偏置差分放大器和输出驱动器组成的高速比较器,数模转换器(DAC)采用的是三段式的电荷按比例缩放和电压按比例缩放相结合的结构。在Cadence和Synopsys设计平台下对模拟和数字部分电路分别进行设计、仿真与版图设计。电路工艺采用GLOBALFOUNDRIES公司0.35 m CMOS 3.3 V工艺加工流片。测试结果显示SAR ADC有效位数为8.2位,转换频率超过150 k Samples/s,功耗低于300 W,满足焦平面100帧频以及低功耗的需求。     

高性能低功耗SAR A/D转换器技术发展动态

基于国际公开发表的逐次逼近型A/D转换器(SAR ADC)技术论文,总结了不同架构下高性能SAR结构A/D转换器的技术特点。分析了SAR ADC中主要模块的关键技术,包括高速高线性采样开关技术、高速低功耗比较器技术、高速旁路SAR逻辑技术,以及相关技术在电路级实现时需要考虑的因素。针对SAR ADC的主要模块,介绍了近年来新技术的改进方法。这些高性能低功耗SAR ADC新技术及发展动态的综述对设计者可提供有益的帮助。     

用于BAN的自校准SAR ADC设计

基于SMIC 0.18 μm CMOS混合信号工艺,设计了一种适用于体局域网(BAN)的自校准逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。基于BAN系统的特点,设计的SAR ADC采用阻容混合型主数模转换器(DAC)及电容型校准DAC等结构。采用误差自校准技术来校准SAR ADC的阻容混合型主DAC的高5位电容失配误差,有效降低了SAR ADC非线性误差。仿真结果表明,自校准SAR ADC获得了±0.3 LSB微分非线性、±1 LSB积分非线性、82.2 dB信噪比等性能特性。设计的SAR ADC具有良好的性能,适合于BAN系统。     

应用于可穿戴式设备的超低功耗SAR ADC研究与设计

针对便携式可穿戴移动设备的低功耗要求,提出了一种超低功耗逐次逼近型（SAR）模数转换器（ADC）。所提出的SAR ADC在数模转换器（DAC）电容阵列中设计了改进型电容拆分电路来降低系统的功耗和面积;并采用双尾电流型动态比较器架构降低比较器功耗。采用0.18μm CMOS工艺对所提出的SAR ADC进行设计并流片。测试结果表明在1.8V供电电压,采样率为50kHz的条件下,其有效位数为9.083位,功耗仅为1.5μW,优值55.3fJ,所设计的ADC适合于可穿戴式设备的低功耗应用。     

一种基于65 nm CMOS工艺的10位10 MS/s SAR ADC

基于SMIC 65 nm CMOS工艺,设计了一种10位10 MS/s逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。采用全差分的R-C组合式DAC网络结构进行设计,提高了共模噪声抑制能力和转换精度。与全电容结构相比,R-C组合式DAC网络结构有效减小了版图面积。DAC中各开关的导通采用对称的开关时序,使比较器差分输入的共模电平保持为固定值,降低了比较器的失调电压,提高了ADC的线性度。在2.5 V模拟电源电压和1.2 V数字电源电压下,使用Spectre进行仿真验证,测得DNL为0.5 LSB,INL为0.8 LSB;在输入信号频率为4.990 2 MHz,采样频率为10 MHz的条件下,测得电路的有效位数为9.63位,FOM为0.04 pJ/conv。     

一种精度可编程的低功耗SAR ADC

设计了一种精度可编程的低功耗逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。采用电阻电容混合结构的数模转换(DAC)阵列,通过对低位电阻阵列的编程控制,实现了12,0,8位的转换精度,对应不同的精度,电路支持1,5,10 MS/s的转换速率。采用一种改进的单调开关控制逻辑以降低功耗和面积,同时避免了原有单调开关逻辑存在信号馈通的缺点。根据不同的精度要求,对比较器所用预放大器的个数进行编程控制,进一步提高了ADC的功耗效率。电路基于0.18 μm的CMOS工艺设计,在1.8 V电源电压下,精度从高到低对应的功耗分别为0.56,0.48,0.42 mW;SNDR分别为73.2,61.3,48.2 dB;SFDR分别为96.3,84.6,62.8 dB。芯片内核面积仅为(0.6×0.9)mm²,适用于通用片上系统(SoC)。     

8通道10b的R-C混合式SARADC的设计

实现一个8通道10 b转换精度的逐次逼近式(SAR)模拟-数字转换器。在DAC的设计上采用新的电阻电容混合式的DAC的结构,和传统的C-R式结构相比具有更小的面积。同时对比较器的设计进行了优化,采用一个三级级联的准差分结构,并设计在传统的前置预放和锁存器级联的理论基础上,引入了交叉耦合负载,复位、钳位技术,获得了高精度和较低的功耗。设计经HSPICE仿真结果证明有效,并采用0.13μm CMOS工艺,分别采用2.5 V的模拟电源电压和1.2 V的数字电源电压供电,实现10位的精度。芯片面积为480μm*380μm,FF case下功耗为0.54 mW。实现了超低功耗的ADC的设计。     

一种基于VCM开关切换的12位20 MS/s SAR ADC

设计了一种12位、采样率为20 MS/s的逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。整体电路为全差分结构,采用了一种基于VCM开关切换的分段式电容阵列。同时,比较器结合了前置运放和动态锁存器,与异步时序相配合,实现了SAR ADC高速工作。此外,采样电路采用栅压自举技术,提高采样的线性度。芯片基于TSMC 180 nm 1P5M CMOS工艺设计。仿真结果表明,当采样率为20 MS/s时,SAR ADC有效位数为11.94 bit,无杂散动态范围为86.53 dBc,信噪比为73.66 dB。     

基于动态元件匹配技术的改进逐次逼近ADC设计

介绍了一种低功耗、中等速度、中等精度的改进逐次逼近ADC,用于DSP的外围接口中。其中DAC采用分段电容阵列结构,节省了芯片面积,其高三位使用了动态元件匹配技术,改善了ADC的性能。比较器采用四级预放大器和Latch串联构成,并且使用了失调校准技术。数字电路采用全定制设计,辅助模拟电路完成逐次逼近过程,并且能够使ADC进入省电模式。芯片使用UMC0.18μm混合信号CMOS工艺制造,版图面积2.2mm×1.5mm。后仿真结果显示,ADC可以在1.8V电压下达到12bit精度,速度1MS/s,整个芯片的功耗为2.6mW。     

一种基于分段冗余电容阵列的高速SAR ADC

高速中等精度的模数转换器是通信系统中重要的组成部分。本文提出了一种基于分段冗余电容阵列的高速逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）设计方案。该设计方案通过引入分段冗余电容阵列,在降低了面积和功耗的同时,克服了高速采样下,DAC不完全建立对ADC性能的影响。所设计的两级动态比较器,通过噪声分析可知,在满足高速性能的前提下,提高了ADC的精度。基于SMIC55nm CMOS工艺,本文实现了一种12-bit 100-MS/s的SAR ADC。在1.2V电源电压和100MS/s的采样频率,差分输入接近满摆幅下,前仿真结果为SNDR为73.27dB,ENOB可达11.87bit。     

一种用于视频采集10bit低功耗SAR ADC的设计

本文通过对逐次逼近型ADC原理的分析,设计了一种用于视频采集10bit,900KS／S的逐次逼近型模拟数字转换器（SARADC）,该模数转换器主要由采样保持、DAC、比较器和数字逻辑控制器组成。其中,DAC采用电荷定标型结构,利用对称电容阵列结构减少电容所占面积,同时提高缩放电容的匹配精度;比较器采用三级预放大器加一级动态锁存器结构,并且该比较器采用了失调校准技术来提高比较器的精度。电路采用SMIC0．13um 1P6M CMOS工艺进行设计,仿真结果表明,在900KS／s的采样速率下,有效位数可达8．7bit,功耗仅为1．02mW。     

一种10bit双通道流水线SAR ADC设计

为了提高模数转换器的采样频率并降低其功耗,提出一种10 bit双通道流水线逐次逼近型（SAR）模数转换器（ADC）。提出的ADC包括两个高速通道,每个通道都采用流水线SAR结构以便低功率和减小面积。考虑到芯片面积、运行速度以及电路复杂性,提出的处于第二阶段的SAR ADC由1 bit FLASH ADC和6 bit SAR ADC组成。提出的ADC由45 nm CMOS工艺制作而成,面积为0.16 mm2。ADC的微分非线性和积分非线性分别小于0.36 最低有效位（LSB）和0.67 LSB。当电源为1.1 V时,ADC的最大运行频率为260 MS/s。运行频率为230 MS/s和260 MS/s的ADC的功率消耗分别为13.9 mW和17.8 mW。     

基于亚稳态检测的SAR ADC电容失配校准算法

随着工艺进程的不断推进,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的电容失配对整体电路的速度和精度影响越来越大。针对SAR ADC中电容失配的问题,提出一种基于亚稳态检测的SAR ADC电容失配校准算法,在不增加模拟电路时序复杂度的情况下,有效地解决了电容失配导致的SAR ADC精度不足问题。将该算法运用于12 bit 150 MS/s SAR ADC中,模拟结果表明,有效位数(Enob)可以达到11.93 bit,无杂散动态范围(SFDR)达到92.66 dB。