【摘 要】
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现在是万物互联的时代,模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）是模拟信号转换为数字信号处理的必要工具。ADC目前广泛应用于生理信号检测、电源系统控制、高速通信、汽车信号检测等场景。ADC根据使用场景不同,有不同的性能要求,需要不同的ADC架构来实现。逐次逼近型（Successive-Approximation-Register,SAR）ADC是常用的ADC架构之
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现在是万物互联的时代,模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）是模拟信号转换为数字信号处理的必要工具。ADC目前广泛应用于生理信号检测、电源系统控制、高速通信、汽车信号检测等场景。ADC根据使用场景不同,有不同的性能要求,需要不同的ADC架构来实现。逐次逼近型（Successive-Approximation-Register,SAR）ADC是常用的ADC架构之一,其在中高速、中高精度、低功耗领域应用最为广泛。SAR ADC结构相对比较简单,具有与数字电路兼容性强的特点。SAR ADC的功耗会随着工艺节点的进步而降低,速度会随着工艺节点的进步而加快。近年来,由于工艺的进步,SAR ADC不断在超高速采样率上实现突破。由于SAR ADC校准技术的发展和混合架构的使用,使其在高速、高精度ADC领域也有所应用。数字电源管理芯片需要中高速的ADC来校准输出并控制电源输出精度,不同的数字电源管理芯片要求ADC的精度和速度也是不一样的。比如为CPU供电的多相数字电源管理芯片需要高速、低精度的ADC对电源输出进行校正。而对于电池管理系统(（Battery Management System,BMS）,则需要中高速、高精度的ADC对电池状态进行检测。因此本文研究的是高速低精度和中高速高精度SAR ADC的设计。本文基于0.153μm工艺设计了一个40MHz采样率7bit分辨率的SAR ADC,核心面积为0.026mm~2,后仿真结果信噪失真比为43.24d B,有效位数为6.89bit,差分非线性和积分非线性误差均为0.25LSB。在此工艺下,为达到40MHz的采样率,本设计有两个创新点,一是使用2路选择器对逐次逼近过程加速;二是提出一种自适应异步时序结构,使异步时序更加紧凑,加快ADC逐次逼近。本文中还介绍了基于0.18μm工艺设计的5MHz采样率16bit分辨率的SAR ADC的电路设计。此设计采用前台校准,主要针对SAR ADC中电容型数模转换器（Capacitive Digital to Analog Converter,CDAC）中的电容阵列的线性度进行校准。动态性能的电路仿真结果,校准后的信噪失真比为93.5d B,有效位数为15.2bit。静态性能为行为级仿真,校准后的差分非线性误差为-0.48/0.45LSB,积分非线性误差为-0.84/1.09LSB。该16bit ADC的设计有两个创新点,一是使用Set and Down型CDAC结构实现前台校准,校准算法采用了从高位到低位的校准方式,这种校准方法累积误差较小。使用Flash ADC提前得到高3位结果,CDAC利用高3位结果完成采样过程可解决Set and Down型CDAC输出电平可能过高的问题,Flash ADC还能一定程度上减少逐次逼近的步骤;二是设计了一个抗PVT的延迟结构组成异步时序,保证异步时序在不同PVT条件下均能正常工作。
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