传统结构开关转换方案分析

顾宇晴

摘 要：以SAR ADC为例，对传统结构开关转换方案进行分析，对其工作流程进行总结。用MATLAB软件对采用传统结构开关转换方案的10 位SAR ADC的电容转换能耗进行仿真，并推导出传统结构开关转换方案平均能耗的表达式。

关键词：传统结构;开关转换方案;能耗

1 引 言

分段电容 SAR ADC 工作过程分为采样，保持和电荷重分配三个阶段[1]。转换过程中，DAC电容根据逻辑信号连接Vref或者GND，完成信号的二进制转换过程称为开关转换方案。

2 传统结构开关转换方案分析

以采用传统结构开关转换方案的2位SAR ADC为例，其电容转换过程如图1所示。在采样过程中，电容的下极板连接输入模拟电压Vi，上极板连接比较器的反相输入端，同时比较器的正相输入端接地。在采样结束之后，断开采样开关，电容的下极板全部接地，此时电容的上极板电压为-Vin。

在进行第一次转换时，最高位电容C3由之前连接到地的状态切换到连接基准电压Vref，其余电容连接状态不变，第一次转换所需消耗的能量为：

当第一次转换完成之后，比较器会开始进行第一次比较，得出最高位数字码，根据比较结果，电容阵列将进行相应的转换：当比较器的正相端电压高于反相端电压时，次高位电容的上极板由接地改接到Vref，其余电容保持之前的连接状态不变，完成这一转换过程所需消耗的能量为：

当比较器的正相端电压低于反相端电压，最高位电容由连接到Vref改接到地，存储在C3上的电荷被浪费掉，次高位电容C2由接地改接到Vref，其余电容保持之前的连接状态不变，完成这一转换过程所需消耗的能量为：

在第二次转换之后，比较器将进行第二次比较，得到最低位数字码，整个转换过程到此结束。对传统结构电容转换方案中电容阵列的转换过程进行归纳和总结，得出如圖2所示的SAR ADC工作流程图。

3 仿真结果分析

用MATLAB软件对采用传统结构电容转换方案的10位SAR ADC的电容转换能耗进行仿真，不同的输出码对应的能耗如图3所示。其横坐标为输出代码，纵坐标是转换能耗。

当采用传统结构电容转换方案、精度为N位的SAR ADC的所有输出码被输出的概率都相等时，其电容转换平均能耗的表达式如下：

式中，N为SAR ADC的精度，C为单位电容，Vref为参考电平。

4 结论

传统开关控制方案采用下极板采样技术对模拟信号进行采样，在采样开关关断之后，能够有效的减小时钟馈通和电荷注入引起的误差，减小比较器输入的寄生电容[2]。但采用传统结构电容转换方案的N位SAR ADC的电容阵列在整个转换过程中需要进行N次转换，且每次转换都需要改变1～2个电容的连接状态，这种转换方式不仅能耗高，而且使得后续电容状态控制电路的设计变的复杂。

参考文献

[1]    Razavi B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. McGraw-Hill， Inc.， 2000.

[2]    范誉潇， 王永禄， 黄正波，等. 一种10位120MS/s逐次逼近A/D转换器[J]. 微电子学， 2016， 46（2）：155-158.