逐次逼近(SAR)模数转换器进展

电子设计工程

Electronic Design Engineering

第23卷Vol．23第15期No．152015年8月Aug．2015

收稿日期：2014－10－24

稿件编号：201410183

基金项目：贵州省重点实验室能力建设项目（黔科合计Z 字[2010]4006）；贵州省科学技术基金（黔科合J 字[2014]2067号）；贵州大

学博士基金（贵大人基合字（2013）20号）

作者简介：刘萌（1989—），男，山东德州人，硕士研究生。研究方向：模拟集成电路设计、数/模混合集成电路设计。

逐次逼近模数转换器（SAR－ADC ），具有中等速度与精度，低成本和低功耗的综合优势。在工业控制、医学仪器、随身设备、军事侦察等多方面应用广泛。近些年来，SAR－ADC 在追求低功耗的道路上取得不少亮点。其中在DAC 部分的不转换窗口的概念[1]（no－switching window ）比传统二进制逼近节省50%左右的功耗。在此基础上又提出了时间窗口（tiｍe－based fixed window ）概念[2]，电源电压只有0．5V ，在

100kS/s 速度下功耗FOM 只有3．9fJ/conversion－step 。在数字

逻辑部分采用基于计数器的结构，可以比传统SAR 逻辑电路减少30%功耗。此外随着CMOS 器件速度的不断增长，SAR－

ADC 也逐渐渗透到了高速领域，建立起fast conversion loop

的概念。采用时间交织技术（tiｍe－interleaved ）的SAR－ADC 已经达到了7bit 精度下1．5GS/s 的采样速率[3]。考虑到通道间的不匹配，需要添加额外的校准电路。最近的2bit/cycle 的技术[4]提供了新选择，即每个循环两次逼近。在8位精度下也达到了400M/s 的速度。随着CMOS 电路尺寸缩小，规模的增大，晶体管或运放的固有增益降低。使得对运放要求相对较低的SAR 结构模数转换器更加受到欢迎。因此，最近的研究都集中到SAR 模数转换器上。

1逐次逼近型模数转换器基本结构

SAR－ADC 主要模块包括S/H 电路、数模转换器（DAC ）、

比较器、逻辑控制电路等。如图1。通过Vi 与不同权重的Vref

比较来逼近Vi ，并输出编码。

2

SAR ADC 中的数模转换器（DAC ）

2.1

DAC 的主要结构

DAC 有电压定标型、电流定标型、电荷定标型。其中多采

用电荷定标（CDAC ），功耗较低且不需要专门采样保持电路。

CDAC 由二进制权重电容阵列，LSB 等值电容、开关和比较器

组成。图2为2位的电容阵列与转换步骤。首先对信号进行

逐次逼近（SAR ）模数转换器进展

刘萌，马奎，刘娇，傅兴华

（贵州大学电子科学系贵州省微纳电子与软件重点实验室，贵州贵阳550025）

摘要：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。关键词：逐次逼近；模数转换器；DAC ；比较器；校准中图分类号：TN43

文献标识码：A

文章编号：1674－6236（2015）15－0008－05

Successive approximation analog -to -digital converter

LIU Meng ，MA Kui ，LIU Jiao ，FU Xing -hua

（Department of Electronics ，Key Laboratory of Micro -Nano -Electronics and Software Technology of Guizhou Province ，

Guizhou University ，Guiyang 550025，China ）

Abstract:The structure and status of successive approxiｍation analog -to -digital converter （SAR ADC ）was introduced in this work ，as well as the discussion of ｍain ｍodules in the SAR -ADC ，such as DAC ，the coｍparator and calibration ｍethod．The analysis of DAC was ｍade in consideration of speed ，resolution or power．，and the ｍain structure was split -capacitor or differential -capacitor．To reduce the non -ideal effects and iｍprove the resolution ，coｍparison of three calibration ｍethod was introduced later．Finally ，direction and challenge relevant to SAR -ADC were introduced and suｍｍariｚed briefly．Key words:approxiｍation analog -to -digital converter ；DAC ；coｍparator ；calibration

图1

SAR－ADC 的主要结构

Fig．1

Mian structure of SAR－ADC

－8－