傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換方案分析

顧宇晴

摘 要：以SAR ADC為例，對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行分析，對(duì)其工作流程進(jìn)行總結(jié)。用MATLAB軟件對(duì)采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換方案的10 位SAR ADC的電容轉(zhuǎn)換能耗進(jìn)行仿真，并推導(dǎo)出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換方案平均能耗的表達(dá)式。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu);開關(guān)轉(zhuǎn)換方案;能耗

1 引 言

分段電容 SAR ADC 工作過程分為采樣，保持和電荷重分配三個(gè)階段[1]。轉(zhuǎn)換過程中，DAC電容根據(jù)邏輯信號(hào)連接Vref或者GND，完成信號(hào)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換過程稱為開關(guān)轉(zhuǎn)換方案。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換方案分析

以采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換方案的2位SAR ADC為例，其電容轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。在采樣過程中，電容的下極板連接輸入模擬電壓Vi，上極板連接比較器的反相輸入端，同時(shí)比較器的正相輸入端接地。在采樣結(jié)束之后，斷開采樣開關(guān)，電容的下極板全部接地，此時(shí)電容的上極板電壓為-Vin。

在進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換時(shí)，最高位電容C3由之前連接到地的狀態(tài)切換到連接基準(zhǔn)電壓Vref，其余電容連接狀態(tài)不變，第一次轉(zhuǎn)換所需消耗的能量為：

當(dāng)?shù)谝淮无D(zhuǎn)換完成之后，比較器會(huì)開始進(jìn)行第一次比較，得出最高位數(shù)字碼，根據(jù)比較結(jié)果，電容陣列將進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換：當(dāng)比較器的正相端電壓高于反相端電壓時(shí)，次高位電容的上極板由接地改接到Vref，其余電容保持之前的連接狀態(tài)不變，完成這一轉(zhuǎn)換過程所需消耗的能量為：

當(dāng)比較器的正相端電壓低于反相端電壓，最高位電容由連接到Vref改接到地，存儲(chǔ)在C3上的電荷被浪費(fèi)掉，次高位電容C2由接地改接到Vref，其余電容保持之前的連接狀態(tài)不變，完成這一轉(zhuǎn)換過程所需消耗的能量為：

在第二次轉(zhuǎn)換之后，比較器將進(jìn)行第二次比較，得到最低位數(shù)字碼，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程到此結(jié)束。對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電容轉(zhuǎn)換方案中電容陣列的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行歸納和總結(jié)，得出如圖2所示的SAR ADC工作流程圖。

3 仿真結(jié)果分析

用MATLAB軟件對(duì)采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電容轉(zhuǎn)換方案的10位SAR ADC的電容轉(zhuǎn)換能耗進(jìn)行仿真，不同的輸出碼對(duì)應(yīng)的能耗如圖3所示。其橫坐標(biāo)為輸出代碼，縱坐標(biāo)是轉(zhuǎn)換能耗。

當(dāng)采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電容轉(zhuǎn)換方案、精度為N位的SAR ADC的所有輸出碼被輸出的概率都相等時(shí)，其電容轉(zhuǎn)換平均能耗的表達(dá)式如下：

式中，N為SAR ADC的精度，C為單位電容，Vref為參考電平。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)開關(guān)控制方案采用下極板采樣技術(shù)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，在采樣開關(guān)關(guān)斷之后，能夠有效的減小時(shí)鐘饋通和電荷注入引起的誤差，減小比較器輸入的寄生電容[2]。但采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電容轉(zhuǎn)換方案的N位SAR ADC的電容陣列在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中需要進(jìn)行N次轉(zhuǎn)換，且每次轉(zhuǎn)換都需要改變1～2個(gè)電容的連接狀態(tài)，這種轉(zhuǎn)換方式不僅能耗高，而且使得后續(xù)電容狀態(tài)控制電路的設(shè)計(jì)變的復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)

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

[2]??? 范譽(yù)瀟， 王永祿， 黃正波，等. 一種10位120MS/s逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器[J]. 微電子學(xué)， 2016， 46（2）：155-158.