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一種應(yīng)用分段式電容陣列的20 MS/s 10-bit SAR ADC*

電子技術(shù)應(yīng)用

崔海濤，張繼，陳玉蓉，胡偉波，李超潤(rùn)

（1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300350；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214063； 3.北京大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳 518055）

摘要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)10位分辨率，20 MS/s采樣率的逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）。該電路通過(guò)采用分段式電容陣列設(shè)計(jì)，縮短了量化過(guò)程中高位電容翻轉(zhuǎn)后所需要的穩(wěn)定時(shí)間，從而提高了量化速度。此外，還提出了一種新穎、高效的比較器校準(zhǔn)方法，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了比較器失調(diào)電壓的抑制。該ADC芯片基于180 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)制造，核心面積為0.213 5 mm2。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在1.8 V電源電壓、20 MS/s采樣頻率下，該ADC的信號(hào)噪聲失真比（SNDR）達(dá)到了58.24 dB。

關(guān)鍵詞： SARADC 分段式電容陣列比較器校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233783
中文引用格式： 崔海濤，張繼，陳玉蓉，等. 一種應(yīng)用分段式電容陣列的20 MS/s 10-bit SAR ADC[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(10)：53-58.
英文引用格式： Cui Haitao，Zhang Ji，Chen Yurong，et al. A 20 MS/s 10 bit SAR ADC with piecewise capacitor array[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(10)：53-58.

A 20 MS/s 10 bit SAR ADC with piecewise capacitor array

Cui Haitao1，Zhang Ji2，Chen Yurong2，Hu Weibo2，Li Chaorun3

(1.College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University， Tianjin 300350， China； 2.The 58th Search Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Wuxi 214063， China； 3.Peking University Shenzhen Graduate School， Shenzhen 518055， China)

Abstract： This paper presents a 10-bit Successive Approximation Register (SAR) analog-to-digital converter (ADC) with 20 MS/s sampling frequency. By using the piecewise capacitor array design, the settling time after large capacitor turnover during quantization is shortened and thus the quantization speed is improved. In addition, a novel and efficient comparator calibration method is proposed to reduce the offset voltage of the comparator at a lower cost. The chip is manufactured in 180 nm CMOS process with a core area of 0.213 5 mm2. The test results show that the ADC achieves 58.24 dB signal-to-noise/distortion ratio (SNDR) at 1.8 V supply voltage while sampling at 20 MS/s

Key words :

0　引言

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)是信號(hào)鏈的核心器件，是溝通模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的橋梁。自然界中大部分信號(hào)都是時(shí)間連續(xù)、幅值連續(xù)的模擬信號(hào)，比如溫度、壓強(qiáng)、速度等。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)抑制噪聲的能力要強(qiáng)于模擬信號(hào)，并且方便計(jì)算機(jī)處理，所以在信號(hào)處理時(shí)，通常需要ADC將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)。ADC對(duì)芯片系統(tǒng)的整體性能起著決定性的影響，因此得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注[1]。ADC有多個(gè)種類，如逐次逼近型（SAR）[2-3]，∑-Δ型[4-5]，F(xiàn)lash型[6-7]等。其中SAR ADC的應(yīng)用范圍最廣，其通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行二次冪地逐次逼近，使ADC內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)產(chǎn)生的電壓逼近于采樣得到的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣信號(hào)的量化。隨著SAR ADC的發(fā)展，多種新的架構(gòu)被提出來(lái)[8-11]，這些新思想新技術(shù)極大促進(jìn)了ADC的發(fā)展。傳統(tǒng)SAR ADC的電容陣列是以二次冪的形式增長(zhǎng)的，當(dāng)DAC的位數(shù)較多時(shí)，最大電容的容值就會(huì)很大，該電容翻轉(zhuǎn)時(shí)所需要的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，這不利于ADC的快速轉(zhuǎn)換。此外，對(duì)于SAR ADC而言，比較器的失調(diào)電壓直接體現(xiàn)在ADC的輸出中，使ADC的輸出相對(duì)輸入信號(hào)存在直流偏移。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于180 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)10 bit 20 MS/s采樣率的SAR ADC。該ADC采用分段式電容陣列設(shè)計(jì)，縮短了量化過(guò)程中大電容翻轉(zhuǎn)后所需要的穩(wěn)定時(shí)間，提高了量化速度。本文還提出了一種新穎、高效的比較器校準(zhǔn)方法，有效降低了比較器的失調(diào)電壓，進(jìn)一步提高了ADC的精度。此外，本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)中電容翻轉(zhuǎn)后參考電壓的恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行了建模分析，為分段式電容陣列對(duì)ADC量化速度的提高提供了理論支持。本設(shè)計(jì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在1.8 V電源電壓，20 MS/s采樣頻率下，該ADC消耗了0.81 mW的功耗，實(shí)現(xiàn)了58.24 dB的信號(hào)噪聲失真比(SNDR) 。

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作者信息：

崔海濤1，張繼2，陳玉蓉2，胡偉波2，李超潤(rùn)3

（1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300350；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214063；
3.北京大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳 518055）

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