1mW多通道12位逐次逼近型（SAR A/D）轉(zhuǎn)換器

劉紅兵

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲，412001）

1 體系架構(gòu)

所提到的SAR ADC由一個(gè)MUX、一個(gè)采樣保持電路、一個(gè)比較器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、SAR和控制邏輯電路。MUX由SEL [3:0]信號(hào)控制以靈活選擇8個(gè)通道的輸入信號(hào)。單位增益緩沖器緊隨其后以保證輸入信號(hào)足夠增益和電流驅(qū)動(dòng)力。

1.1 最佳電源電壓

圖1 (a)ADC體系結(jié)構(gòu)

圖1 (b)轉(zhuǎn)換波形

對(duì)于減小數(shù)字電路的功耗來(lái)說(shuō)，降低供電電壓是一個(gè)有效的策略。然而在噪聲、錯(cuò)配、有限開關(guān)電阻和失真存在條件下，模擬電路的功耗隨著減小的供電電壓傾向于增加。合計(jì)最宜供電電壓出現(xiàn)在800 mV時(shí)。但是在加偏壓時(shí)，堆疊的pMOS和nMOS二級(jí)管結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)。很難保持所有的MOS運(yùn)行在飽和區(qū)域。類似的，模擬傳輸開關(guān)的電導(dǎo)系數(shù)在低電壓供電時(shí)大幅減少并引起信號(hào)失真。

考慮到上述所有因數(shù)，1.8V電壓被選擇作為SAR ADC的電源供應(yīng)以保證線路可靠性并降低ADC的功耗。

1.2 轉(zhuǎn)換計(jì)劃

圖2 運(yùn)算放大器

單通道12位ADC的轉(zhuǎn)換計(jì)劃如1(b)所示。1個(gè)轉(zhuǎn)換需要14個(gè)時(shí)鐘周期。ADCEN啟用后，ADC開始在第一個(gè)時(shí)鐘周期采樣。采樣過(guò)程中，一個(gè)單位增益緩沖器被用來(lái)給CHOLD電容器充電。采樣后，充電線路關(guān)閉，電荷被CHOLD保持以用于轉(zhuǎn)換。ADC在第2時(shí)鐘周期到第13時(shí)鐘周期內(nèi)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在第14時(shí)鐘周期內(nèi)，轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)信號(hào)頻率很高，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到鎖存器。系統(tǒng)可以根據(jù)EOC信號(hào)閱讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。在第15個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，ADC進(jìn)入另外一個(gè)轉(zhuǎn)換。

2 電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 運(yùn)算放大器

為采樣到全范圍輸入信號(hào)，一個(gè)帶有軌到軌輸入電壓范圍的運(yùn)算放大器(OP)被用來(lái)作為單位增益緩沖器。其能通過(guò)配置一個(gè)N-channel和一個(gè)P-channel的平行差分輸入對(duì)來(lái)取得。一個(gè)帶有AB輸出級(jí)別的折疊級(jí)聯(lián)放大器緊隨其后以得到高增益和大電流驅(qū)動(dòng)力。米勒補(bǔ)償在折疊級(jí)聯(lián)放大器和AB類輸出級(jí)之間被采用以保持足夠的相位裕度。

2.2 比較器

對(duì)于逐次逼近型ADC的設(shè)計(jì)，高性能的比較器是其中一個(gè)關(guān)鍵組件。比較器對(duì)將LSB電壓附近的微小輸入解析為完全的數(shù)字值負(fù)責(zé)。在這一角色中其有著巨大的增益、速度和敏感度的要求。比較器由三級(jí)放大器組成。為維持ADC一個(gè)高的輸入信號(hào)擺幅范圍，一個(gè)軌對(duì)軌運(yùn)算放大器被用在比較器的第一級(jí)。一個(gè)對(duì)稱折疊級(jí)聯(lián)放大器被用在第二級(jí)來(lái)保證比較器的高增益(＞74 dB)和高速度(＜ 100 ns)。比較器的第三級(jí)是兩個(gè)用來(lái)將模擬波性整流成數(shù)字信號(hào)的逆變器。該結(jié)構(gòu)有著更高的增益、更低的設(shè)計(jì)難度，并且提高了ADC的性能。

2.3 DAC電路

從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的，存在有多種多樣的DAC體系架構(gòu)，每一種均有其優(yōu)點(diǎn)。電壓分壓、電流導(dǎo)引以至于電荷縮比均能用來(lái)將數(shù)字值描繪為模擬量。其必須仔細(xì)篩選因?yàn)椴蓸勇屎头直媛适芟抻谠诜答伃h(huán)中DAC的采樣率和分辨率。一個(gè)帶有串聯(lián)電阻插入的電壓分壓電路被使用。 盡在整個(gè)電壓分壓中多晶硅電阻器才被使用。該結(jié)構(gòu)有很好的匹配特性并能保證線性關(guān)系。即使是多晶硅電阻器在制造時(shí)電阻改變，非線性問(wèn)題也不會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)，帶有串聯(lián)電阻插入的DAC非常適合低電壓和高分辨率應(yīng)用。

3 實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

針對(duì)所提到的SAR ADC的功能及規(guī)范要求，嚴(yán)格的仿真測(cè)試已由HSPICE完成。ADC按照0.18 μm 2P4M CMOS工藝制造。有效電路尺寸為0.3 mm×0.35 mm。所制造的ADC性能如表1所示。可見(jiàn)其有著良好的性能表現(xiàn)并且適合低壓和低成本設(shè)備。

圖3 比較器原理圖

表1 A/D轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

4 結(jié)論

用第一次0.18μm 2P4M CMOS工藝制造的8通道12位SAR A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)已如上所示。ADC占有面積為0.3 mm×0.35 mm。其最大采樣率為140KSPS。低電壓顯著減小了ADC的總功耗。串聯(lián)電阻器的插入杠桿性的使其獲得了良好的匹配特性和線性關(guān)系，其適用于低電壓低成本應(yīng)用。