一种差分结构SAR ADC的数字校准算法

介绍了一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）的数字校准算法,并在MATLAB平台上搭建了16位SAR ADC的行为级模型对其进行验证。设计的主DAC采用两段式加差分结构电容阵列,从而大幅度缩小了电路面积。在自校准算法的基础上,提出了一种高精度校准DAC的设计方法,此方法可以量化出极小的误差电压,并具备差分结构的校准功能。经电路验证,校准DAC的量程能达到-6.97mV～6.97mV,精度能达到27.4uV,最终的测试结果表明,ADC的有效位可达到14.92位。     

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。     

一种SAR ADC电容失配自测量与数字校准技术

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。     

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。     

一种12位1 MS/s数字自校准SAR ADC

设计了一种12位1 MS/s单端结构的自校准逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。采用串联三段式7位校准DAC阵列结构来校准高6位误差电压,减小了面积,扩大了校准范围。将校准DAC的初始态接为中间态,简化了校准逻辑控制过程。采用“双寄存器”预判的方式,提高了回补校准码的效率。在电源电压为3.3 V、转换速率为1 MS/s的条件下,进行了仿真验证。结果表明,该SAR ADC校准后,SNDR从校准前的49.2 dB提升到71 dB,DNL、INL分别从校准前的-1 LSB /+21.250 LSB、-17.398 LSB /+10.152 LSB减小到-0.25 LSB /+0.5 LSB、-1.048 LSB /+0.792 LSB。     

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。     

一种应用于高精度SAR ADC校准的剪枝神经网络算法

介绍了一种基于剪枝神经网络的后台校准算法,能够对高精度单通道SAR ADC的电容失配、偏移、增益等多个非理想因素同时进行校准,有效提高SAR ADC的精度。本算法不仅可以达到全连接神经网络校准效果,而且同时对贡献小的权重进行剔除,降低了校准电路的资源消耗,加快了神经网络校准算法速度。仿真结果表明,信号频率接近奈奎斯特频率的情况下,对16 bit 5 MS/s的 SAR ADC进行校准,校准后ADC的有效位数从7.4 bit提高到15.6 bit,无杂散动态范围从46.8 dB提高到126.2 dB。     

一种前后台结合的SAR ADC的校准算法

提出了一种数字前台校准技术,即电容重组技术,并将该技术与LMS数字后台校准技术相结合,提高了LMS算法的收敛速度。提出的算法使用RC混合结构的14位SAR ADC进行建模。仿真结果表明,LMS算法的收敛速度可以提高到1 k个转换周期内,同时校准后ADC的ENOB平均值从10.59 bit提高到13.79 bit。SFDR平均值从71.33 dB提高到112.93 dB,DNL最大值的平均值从1.88 LSB提高到0.97 LSB。INL最大值的平均值从8.01 LSB提高到0.88 LSB。     

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。     

一种基于扰动的SAR ADC数字校准算法

为了减少分段式电容阵列ADC中分段电容引起的电容失配效应对转换精度的影响,采用最小均方根(LMS)迭代方法,实现了一种基于扰动的逐次逼近型(SAR)ADC数字前台校准算法。对同一个模拟输入信号先后加入作为扰动的模拟失调电压+Δd和-Δd,依次进行量化。使用LMS对两次量化结果进行加权迭代,得到最佳权重,实现了对ADC的校准。针对电容失配效应、寄生电容效应的影响,搭建了14位SAR ADC数模混合仿真验证系统。仿真结果表明,该校准算法将系统的无杂散动态范围(SFDR)从62.6 dB提升到87.7 dB。     

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。     

二阶误差反馈型失配误差整形16位500 kS/s SAR ADC

为了解决高精度逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)中电容失配对精度的影响,设计了一种二阶误差反馈型失配误差整形(EFMES)16位精度、500 kS/s采样率、3.3 V工作电压的SAR ADC。采用二阶EFMES结构和动态元件匹配技术,降低了电容失配对ADC精度的影响。该EFMES SAR ADC采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺设计。在输入信号幅度为2.6 V、采样率为500 kS/s时,该ADC的功耗为8.382 mW,SNDR为93.67 dB,ENOB为15.27位,基于SNDR的FoM为168.4 dB。     

高精度SAR ADC电容阵列设计及校准算法

在高精度逐次逼近寄存器模数转换器(SAR ADC)中,电容阵列是SAR ADC的核心之一。电容阵列中的电容失配问题是导致转换精度降低的一个重要原因。为了尽可能改善这一问题,设计了一种6+6+6分段电容阵列,并且基于这种阵列设计了权重迭代算法的前台数字校准。该方法不需要额外的电容阵列,利用自身的电容阵列与比较器量化出电容失配,计算出每一位输出码的权重校准系数,用来对正常量化出的输出码进行编码,实现校准功能。仿真结果表明,引入电容失配的18 bit SAR ADC经过该算法校准后,信噪比(SNR)从77.6 dB提升到107.6 dB,无杂散动态范围(SFDR)从89.8 dB提升到125.6 dB,有效位数(ENOB)从12.54 bit提升到17.54 bit。在SMIC 0.18μm工艺下,该校准算法对高精度SAR ADC的动态性能具有较大提升。     

用于SAR ADC的低开销电容开关时序设计

逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)中,数模转换器单元(DAC)是能耗和面积的主要来源之一。为了降低DAC的能耗和面积,提出了一种低开销电容开关时序,以此设计了DAC的结构,并进行逻辑实现。相比于传统型开关时序,该电容开关时序使得DAC的能耗降低了98.45%,面积减小了87.5%。基于该电容开关时序实现了一种12位SAR ADC。仿真结果表明,在1.2 V电源电压、100 kS/s采样速率的条件下,该ADC功耗为12.5 μW,有效位数为11.2位,无杂散动态范围为75.6 dB。     

SAR ADC移位寄存方式的优化

逐次逼近型模数转换器主要由电容阵列、比较器和数字控制电路组成。传统的数字控制电路保存一位数据时,需要依次经过移位和锁存两个步骤,因此每位数据的延迟约为两个D触发器的延迟时间,制约了转换速度。通过优化数字控制电路的移位寄存方式,使移位和寄存两个步骤只间隔一个与门的延迟时间,每次移位寄存的总延迟降低为一个D触发器和一个与门的延时之和,提高了转换速度。仿真分析表明,改进的逻辑结构延迟较传统结构降低了约28%。     

应用于高速SAR ADC的高能效开关方案

介绍了一种应用于高速逐次逼近型模数转换器的新型高能效电容开关方案.基于2bit/cycle结构,采用两个分裂电容阵列作为数模转换器.通过单边充电操作,在减小电容阵列动态功耗和总面积的同时,提高了电容的建立速度.在最后一个量化周期中,只在电容阵列的单边引入共模电压基准,并只用一个比较器参与量化,在获得更高精度的同时,进一...     

一种二进制缩放重组电容加权SAR ADC

基于TSMC 180 nm CMOS工艺,设计了一款12位100 KS/s低功耗逐次逼近型模数转换器(SAR ADC).为克服高精度下比较器失调与参考电压抖动对SAR ADC性能的影响,采用二进制缩放重组的方法实现电容加权,提高了SAR ADC的性能.与传统冗余校准技术相比,在未增加额外的冗余电容的情况下实现了校准的功能,并且保证了输入信号的摆幅.另外,采用低功耗开关切换方式、动态比较器和动态SAR逻辑有效降低了功耗.仿真结果表明,在0.7 V电源电压下,采样率为100 KS/s时,SAR ADC的有效位数为11.79 bit,功耗只有0.95μW,FOM值仅2.68 fJ/conv.     

应用于SAR ADC的高能效电容开关转换方案

针对逐次逼近型模数转换器,提出了一种新型高能效的电容开关转换方案。在前3个比较周期内,该新型电容开关不消耗转换功耗。从第4个比较周期开始,采用了拆分电容技术、单边双电平转换技术,使得一侧的电容只在2个参考电压Vcm与地之间进行切换,进一步节省了功耗。仿真结果表明,与传统电容阵列相比,该新型电容开关的转换功耗降低了99.23%,总电容面积减小了75%。微分非线性为0.162 LSB,积分非线性为0.163 LSB。     

一种新型的SAR ADC电容阵列混合转换方案

针对逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC),提出了一种高能效的新型混合转换方案,将单调转换方式、拆分电容转换技术与一种新型电容转换方式相融合。在前三次比较周期内,新型混合转换方案SAR ADC的电容阵列不需要电源补充能量;在剩余的比较周期内使用单调转换方式,使转换能耗进一步降低。同时,新型混合转换方案在采用更少电容的情况下,获得与传统结构相同的转换精度。模型仿真结果表明,采用新型混合转换方案后,SAR ADC电容阵列的转换能耗较传统结构减少了99%。     

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)。