SAR_ADC设计架构比较与必要说明.doc

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1、.word可编辑.10b-200ksps-SAR-ADC设计说明一、目前项目的设计需求目前项目属于COST-DOWN项目，所以电路面积是最主要的优化点，目前该ADC的指标要求是10b-200Ksps，精度适中，速度比较低，关键是如何减小面积降低成本且能保证10b的模数转换有效位。项目之前采用的SMICSARADCIP，需要外接电阻，整体面积是0.17mm2，本次设计的主要目的是设计不需要外挂电阻的SARADC且整体电路的面积小于0.17mm2。本项目中的SARADC针对的是单端应用，所以后续所有的讨论只针对单端应用情况

2、。二、各种SARADC架构比较及选定图1、单端SARADC基本架构.专业.专注..word可编辑.图2、电阻分压型DAC结构SARADC的基本架构如图1所示，该类型SARADC中的关键点是比较器的OFFSET和DAC的线性度。比较器的失调对于所有类型的SARADC具有共性，最后统一说明。1、针对不同的DAC架构分别说明其线性度、面积等优缺点。ü电阻分压实现DAC的传统架构：如图2所示，该类型的由开关电阻阵列构成的电压按比例缩放D/A转换器，由于抽头电压不可能低于下面的抽头，因此保持了很好的单调性。但是当D/A转换器的位

3、分辨率提高时，开关数和电阻数均呈指数上升，面积难以接受。而且，由于该DAC不能采样保持输入电压，因此信号输入端需要专门的采样保持电路用于维持ADC转换期间VIN电压的相对固定，这进一步增加了面积。此外，此类型的DAC转换精度依赖于电阻的匹配精度，在芯片内部，电阻的匹配精度低于电容的匹配精度。综合以上因素，该类型的DAC只适合应用于转换位数较小的SARADC中。.专业.专注..word可编辑.图3、二进制电流型DAC结构ü二进制电流型DAC架构如图3所示，逐次逼近逻辑产生数字码控制电流源的开关，从而使得不同大小的电流与输

4、入端产生的电流做减法运算，从而得到比较器的输出串行码。该结构的DAC受限于电阻、MOS管的匹配程度，而且随着位数的增加电流镜结构也会导致比较大的功耗。在高精度的SARADC架构中不宜采用此类DAC。图4、R-2R结构的电流型DAC结构üR-2R电流型DAC架构如图4所示，最低位2R/2R并联后的到R，R+R与2R并联后又得到R，依次类推，.专业.专注..word可编辑.当所有的电阻均接地时，Vref端看到的输入阻抗为R。开关S0~Sn-1控制接入比较器的电流大小，该结构解决了电阻随位数呈指数增加的问题，但是电路中的开关

5、会导致电阻的匹配难度加大，此外，电流型运算放大器增加了该结构的设计难度，该结构同样需要额外的采样保持电路。图5、电荷型DAC结构ü电荷型DAC架构如图5所示，电荷型也叫电容型DAC，该结构基于开关电容阵列，配合时序设计，运用电荷守恒的原理，实现电荷再分配而得到一个模拟电平。在SARADC具体实现的时候，往往把信号采样和电容DAC放在一起设计，这样既实现了采样又实现了DAC，即在同一个电容阵列上面完成采样和DAC输出的数学运算。该结构采用全电容设计，在片上容易得到更高精度的匹配。不足之处在于，随着位数的增加，电容呈指数增

6、加，从而使得电容占据了该ADC绝大部分的面积，增加了成本。在8位及以下的SARADC架构中可以采用此类型的DAC，大大简化了设计难度。.专业.专注..word可编辑.图6、典型的二段分段电容结构ü分段电容型DAC架构如图6所示，为了解决典型电容型DAC的电容过大问题，通常采用分段电容结构实现高精度DAC的设计。该结构解决了电容面积随位数指数增加的问题，由于电容的减小，该结构的转换速度会明显提高。不足之处在于引入了Ca电容，该电容的寄生参数比较大，增加了匹配难度。在12位左右或者以上的SARADC中采用此结构的电路必须对

7、Ca及高位电容做失配校准，这会增加相应的时序和硬件电路，增加了设计和应用复杂度。图7、阻容混合型DAC结构.专业.专注..word可编辑.ü阻容混合型DAC架构如图7所示，阻容混合型的高位采用电容结构DAC，低位采用电阻结构DAC，以目前的10bitSARADC设计为例，高6位采用电容实现，低四位采用电阻实现。由于C0和C1~C5所接的电压都是Vref，所以低位电阻型DAC不会超额，也就是说该类型的DAC结构具有出色的单调性，这提高了ADC的ENOB。片上4位16档电阻型DAC的步进为187mv(设定VREF=3V)，

8、这极大地降低了低位RES-DAC的设计难度。该结构的缺点是，电阻性DAC的电阻不能取值过小，否则电流会增加，不利于低功耗设计。相反，增加电阻降低功耗会导致该RES-DAC的响应速度降低，降低了该类型SARADC的转换速度。以上几点决定了该类型的SARADC不利于目前主流的高速、低功耗应用场合。但是目前我们的COST-DOWN方案的