一种单端10-bit SAR ADC IP核的设计

李 靖，余昭杰，高 榕，王富昕 ，杨小天

（1.吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，吉林 长春130012；2.吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；3.吉林省建筑工程学院 吉林 长春 130118）

随着集成电路和数字信号处理技术的快速发展，我们可以在数字域里实现比模拟域里更高精度，更快速度，更低价格的各种信号处理功能，因此，模数转换器作为模拟系统和数字系统的接口就变得非常重要。而在各种类型的模数转换器当中，逐次逼近型的模数转换器（SAR ADC）因为其低功耗，中等精度和中高分辨率而得到了广泛的应用[1]。而SAR ADC从输入来分，可以分为单端输入和双端（全差分）输入。虽然一个双端SAR ADC电路架构可以获得更好的共模抑制比和和较少的失真，而得到了广泛的应用，但在现实生活中对单端的ADC仍有一定的需求，如光栅尺中绝对码道信号的检测。本文则是在一种常见单端SAR ADC电路架构的基础上[2]，对D/A转换器进行了改进，在不增加电容面积的情况下，减小了D/A转换时电容和开关所消耗的能量，减小了电容阵列转换的建立时间。

1 ADC整体电路设计

本文设计的单端SAR ADC的整体架构如图1所示，主要包括以下4个部分：采样保持电路（Sample and Hold）、比较器 （Comp）、10－bit 逐 次 逼 近 寄 存 器 及 控 制 电 路 （SAR LOGIC）、D/A 转换电路（DAC）。

输入电压Vin通过采样保持电路得到采样电压Vsh，Vsh与DAC的输出Vdac通过比较器进行比较，比较结果传递给逐次逼近寄存器，逐次逼近寄存器一方面输出比较结果，另一方面控制DAC的转换开关，以便进行下一位的转换。

1.1 SAR ADC的工作流程

SAR ADC的工作流程如图2所示，它主要可以分为采样、清零阶段和比较阶段。

第一步：采样、清零阶段。采样保持电路中的开关Sa闭合，Vin=Vsh， 属于跟随阶段；DAC 中的电容 C1p～C10P和 C1n～C10n的下级板全部接GND，开关EN闭合，Vdac接GND，DAC处于清零阶段。

第二步：比较阶段。采样保持电路中的开关Sa断开，Vsh为采样得到的电压；DAC中的电容C1p～C10p的下级板接Vref，其余开关不动，而开关EN断开，此时DAC的输出结果：

Vsh与Vdac进行比较，如果Vsh大于 Vdac，则比较器输出为1，即D1=1，而逐次逼近寄存器根据比较结果，将电容C10n（MSB电容）的下级板偏转到Vref；反之 D1=0，C10p的下级板偏转到GND。其余电容保持不变。

图1 本文设计的单端10-bit SAR ADC的整体架构Fig.1 The whole framework of the proposed single-ended 10-bit SAR ADC

图2 本文所提出的SAR ADC的工作流程Fig.2 Flow chart of proposed SAR ADC

第j步：根据上一步比较的结果，得到DAC的输出如下：

Vsh与Vdac进行比较，如果Vsh大于Vdac，则比较器输出为1，即 Dj-1=1，而逐次逼近寄存器根据比较结果，将电容 C（11-j）n的下级板偏转到 Vref；反之 Dj-1=0，C（11-j）p的下级板偏转到 GND。其余电容保持不变。直至j=11，比较结束，进入下一个转换周期。

1.2 DAC电路架构

本文采用的DAC架构如图1所示，主要采用分割二进制电容加权结构[3]，由逐次逼近逻辑（SAR）产生的控制信号S0到S11来控制DAC的开关。其中：

传统的电容阵列在转换过程中效率很低。为了说明这一点，以一个传统的2-bit电容阵列为例，如图3所示，其中C2=2C1=2C0。清零阶段，所有电容全部接GND，没有能量消耗。当清零过后，进行第一位的比较时，MSB电容C2接Vref，而其他电容（C0和 C1）仍然接地，因此电容阵列的输出 Vdac=1/2Vref，其中Vref是参考电压，此时电容从参考电压吸收C0Vr2ef的能量。在进行第二位的比较时，DAC进行两种转换：如果Vsh>Vdac，进行“up”转换，即 C1接 Vref（C1起始接 GND），因此 Vdac=3/4 Vref，则需要从参考电压吸收Eup=1/4C0Vr2ef的能量；相反地，如果 VshVdac，进行“up”转换，即 C1n接 Vref（C1n起始接GND），需要从参考电压吸收Eup=1/4C0Vr2ef的能量；相反的，如果 Vsh

图3 传统单端2-bit DAC电容阵列在一次转换过可能出程中所有可能出现的情况Fig.3 All possible cases in one conversion cycle of a 2-bit conventional DAC capacitor array

图4 改进的2-bit DAC电容阵列在一次转换过程中所有现的情况Fig.4 All possible cases in one conversion cycle of a 2-bit proposed DAC capacitor array

从上述可以看出，传统电容阵列在“up”转换时消耗能量最少，而在“down”转换时消耗能量最大，而分割电容阵列相对来说消耗的能量较少。通过仿真可以得知，本文所用的SAR ADC结构由于电容偏转所消耗的平均能量比传统的SAR ADC要节省30%左右。

对于高速应用的ADC来说，一个重要的技术指标就是DAC的建立时间。在“down”转换过程中，传统电容阵列中需要有两个电容进行切换，而控制电容转换的开关在转换过程中的任何不匹配，无论是随机的还是确定的，都可以引起电容阵列向错误的方向进行转换，甚至引起前置放大器的过载。而分割电容阵列在每一位的比较过程中，只有一个电容变化时，对开关信号的歪斜有很好的抵制作用。图5是通过仿真对两个电容阵列的建立时间进行了对比。从仿真结果可以看出，当分割电容阵列和传统阵列开关时间的宽度相同时，分割电容阵列的建立时间比传统阵列的建立时间快了8%左右，而且电容值越大，建立时间缩小的越明显。

图5 本文提出的电容阵列和传统电容阵列的建立时间Fig.5 Comparison of the settling time of the proposed and conventional capacitor arrays

图6 本文设计比较器的整体架构Fig.6 The framework of the proposed comparator

1.3 比较器电路架构

文中采用的比较器结构简化如图6所示，它是由三级预放大和锁存器组成，其中一、二级预放大器结构相同。比较器的失调电压是影响比较器比较精度的一个重要参数，进而影响整个ADC的精度[4]，而失调电压是经过放大器放大之后再存储在电容上的，所以放大级的增益不能太大。过大的增益会使输出饱和，这样存储在电容上的电压就不能反映真实的失调电压的值，所以三级预放大器每一极均有较小的增益，这样做还可以获得较大的带宽，提高比较器整体的响应速度。但是比较器的增益过低，则会影响其精度，而锁存器的使用则是为了提高比较器的增益，同时又降低其功耗[5]，进而提高比较器的有效精度[6]。

2 版图设计与系统仿真

本设计基于Cadence Virtuoso版图编辑工具对SAR ADC进行布局布线和版图绘制。电容阵列采用MIM （metalinsulator－metal）电容，提高了工艺兼容性，减小了成本。在版图布局方面，电容阵列采用对称的布局方式进行布局[7]，有效地减小了电容匹配误差。由于本文的逐次逼近寄存器及控制电路是采用verilog编码，并通过Encounter工具生成的数字电路，因此本文将数字电路和模拟电路分开布局，并用电地环进行隔离，以防止相互干扰。电路版图如图7所示，芯片版图面积约为800 μm×340 μm。最后利用Assura软件从版图生成了带寄生参数的网表，并进行了后仿真，以验证电容不匹配及寄生参数等对电路的精度、速度的影响[8]。在采样速度为1－MS/s，信号频率为50 kHz的情况下，后仿真的3种工艺角结果如表1所示。从表1中可以看出，ADC的有效位数为9.3 bit左右，基本达到预期目标，可以正常工作。

图7 SAR ADC的整体版图Fig.7 Layout of proposed SAR ADC

表1 后仿真结果Tab.1 Post-simulation results

3 结 论

文中设计了一种单端10－bit SAR ADC IP核，分析了整个系统的主框架和数模转换电路（DAC）以及比较器。采用XFAB 0.35 μm CMOS 工艺，利用 Cadence Spectre软件，对系统进行了仿真。仿真结果表明在电源电压3.3 V，输入电压范围0～1.5 V，采样速率为1 MHz，输入信号频率50 kHz的情况下，测得有效位数ENOB为9.37 bit，SNR为58.69 dB，SFDR为 72.86 dB，THD为 67.51 dB，SNDR 为 58.16 dB，功耗仅为4 mW。满足设计需求，可以应用于单端输入信号电路中。

[1]LIN Chi-sheng，LIU Bin-da.A new successive approximation architecture for low-power low-cost CMOS A/D converter[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2002，38（1）:54-62.

[2]HONG Hao-chiao，Lee Guo-ming.A 65-fJ/Conversion-Step 0.9-V 200-kS/s Rail-to-Rail 8-bit Successive Approximation ADC[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2007，42（10）:2161-2168.

[3]Brian P.Ginsburg， Anantha P.Chandrakasan， Fellow.500-MS/s 5-bit ADC in 64-nm CMOS With Split Capacitor Array DAC[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2007，42（4）:739-747.

[4]Fotouhi B，Hodges D A.High-resolution A/D conversion in MOS/LSI[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1979，14（6）:920-926.

[5]Ahmad Shar.Design of high speed CMOS comparator[D].Linköpings:Electronics System at Linköpings Institute of Technology，2001.

[6]YU Li， ZHANG Jin-yong，WANG Lei，et al.A 12-bit fully differential SAR ADC with dynamic latch comparator for portable physiological monitoring applications[J].Bulletin of Advanced Technology Research，2011，5（7）:576-579.

[7]LIU Chun-cheng，Soon-jyh C，HUANG Guan-ying， et al.A 10-bit 50-MS/s SAR ADC with a monotonic capacitor switching procedure[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45（4）:731-740.

[8]SUN Lei，DAI Qin-yuan，Lee Chuang-chuan，et al.Analysis on capacitor mismatch and parasitic capacitors effect of improved segmented-capacitor array in SAR ADC[J].2009 Third International Symposium on Intelligent Information Technology Application，2009，2:280-283.