廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院物理系 鄒 佳 李開(kāi)航 王日炎

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六位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院物理系 鄒 佳 李開(kāi)航 王日炎

【摘要】為滿足北斗多模導(dǎo)航SOC對(duì)中等精度、低功耗ADC的需求，本文基于Smic40工藝對(duì)六位全差分SARADC的主要功能模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，比較器部分采用Latch結(jié)構(gòu)降低功耗，通過(guò)增加前置運(yùn)放減小失調(diào)電壓。采用電荷重分布DAC降低了電容匹配性要求，減小了非線性誤差。驅(qū)動(dòng)Buffer采用折疊式共源共柵柵壓浮動(dòng)AB類運(yùn)放，降低了整體的功耗。通過(guò)手動(dòng)搭建整個(gè)邏輯控制電路，更加深刻的理解了整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制要求。

【關(guān)鍵詞】逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器；比較器；D/A轉(zhuǎn)換器

0 引言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，促使高性能、低功耗、低成本的SOC成為當(dāng)今集成電路的設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)，SOC的發(fā)展要求A/D轉(zhuǎn)換器與其他模塊集成到一個(gè)芯片上。隨著技術(shù)的發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了多種實(shí)現(xiàn)方案，如sigma-delta型、Flash型、流水式和逐次逼近型等結(jié)構(gòu)，其中sigma-delta A/D轉(zhuǎn)換器滿足對(duì)精度要求比較高的需求，F(xiàn)lash A/D轉(zhuǎn)換器適用于速度很高的情況，而逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器具有中等速度、中等精度、低功耗、低成本的綜合優(yōu)勢(shì)，因此其應(yīng)用的領(lǐng)域更廣。

本論文的目的是設(shè)計(jì)一款中等精度、低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器用在40nm CMOS工藝北斗多模導(dǎo)航SOC芯片中，為了保證較大的jammer下無(wú)失真采樣，放寬濾波器的設(shè)計(jì)要求同時(shí)降低功耗，最終用Smic40nm工藝設(shè)計(jì)了一款采樣頻率為40M的六位全差分SARADC。本文第二部分介紹了SARADC的工作原理，第三部分介紹電路實(shí)現(xiàn)，第四部分介紹仿真結(jié)果，第五部分為總結(jié)。

1 SARADC的工作原理

圖1

電荷分配型SAR ADC是基于二元法逼近算法的一種轉(zhuǎn)換電路，采樣完成后，SAR contraller首先令DAC最高位為1其余位為0，即將DAC置位為100000，輸出電平為Fs/2，將采樣值和DAC輸出電平Fs/2進(jìn)行比較，如果采樣值大，則DAC最高位保持1不變，同時(shí)SAR contraller將次高位置為1，其余位為0，即得到DAC輸出110000，其值為3Fs/4。若第一次的比較結(jié)果小于0，則最高位置0，同時(shí)SAR contraller將次高位置1，其余位置0，得到DAC輸出010000，其值為Fs/4，第一次轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后即可得到MSB輸出。接下來(lái)重復(fù)上述過(guò)程，直到六個(gè)轉(zhuǎn)換動(dòng)作完成。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 比較器結(jié)構(gòu)

在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，比較器的精度與速度決定了ADC的精度與速度。比較器的失調(diào)電壓限制了ADC的精度，要求失調(diào)電壓要小于1個(gè)LSB，比較器的速度限制了ADC的轉(zhuǎn)換速度，ADC的最高轉(zhuǎn)換速度為320MHz，應(yīng)設(shè)計(jì)比較器速度滿足上述要求。在項(xiàng)目中，ADC的精度較低，但速度偏快。所以，比較器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用高速比較器重點(diǎn)設(shè)計(jì)了電路的反應(yīng)速度。

本文中的比較器由前面的預(yù)放大級(jí)和后面的Latch比較器構(gòu)成。Latch的正反饋?zhàn)饔每梢蕴岣弑容^器翻轉(zhuǎn)速度。在Latch前面要加預(yù)放大級(jí)電路，一方面可以增加比較器的精度，另一方面，預(yù)放大器可以抑制Latch翻轉(zhuǎn)造成的噪聲對(duì)前級(jí)電路的回踢影響。整體電路如圖2ER所示：

圖2

考慮到電路的速度要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)11dB的放大器。

比較器核心部分的小信號(hào)電路分析如圖三所示

企業(yè)的資金周轉(zhuǎn)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)行為都要經(jīng)過(guò)財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)的程序，因此，在企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益浮動(dòng)的背景下必然離不開(kāi)財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)的影響。財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)會(huì)通過(guò)財(cái)務(wù)核算，將準(zhǔn)確合理的經(jīng)濟(jì)信息提供給企業(yè)，進(jìn)而企業(yè)在開(kāi)展經(jīng)濟(jì)活動(dòng)時(shí)能夠有一定的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)依據(jù)進(jìn)行參考。而且企業(yè)在進(jìn)行財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)工作時(shí)會(huì)充分考慮企業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況并與之結(jié)合，對(duì)于企業(yè)經(jīng)濟(jì)情況能夠及時(shí)的進(jìn)行反饋，以此作為基礎(chǔ)為企業(yè)未來(lái)經(jīng)濟(jì)狀況的發(fā)展做出科學(xué)的預(yù)測(cè)。

圖3

2.2 電容陣列D/A轉(zhuǎn)換器

本文選用電荷分布型DAC，為了減小匹配誤差，單位電容C的大小的設(shè)計(jì)非常重要，從減小功耗和面積考慮，DAC中的電容應(yīng)盡可能小，然而由于電容的KT/C噪聲會(huì)影響DAC的精度，為了獲得對(duì)應(yīng)精度的信噪比，又要求電容面積適當(dāng)取大一點(diǎn)。因此電容的取值要結(jié)合電路的速度、精度、面積來(lái)折中。本設(shè)計(jì)中最小單位電容取10fF。其余電容的大小根據(jù)所要求的精度和單位電容的二進(jìn)制權(quán)重進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和二進(jìn)制數(shù)碼元的轉(zhuǎn)換。整個(gè)DAC部分的工作過(guò)程如圖4所示。

圖4

逐次逼近的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式：

其他環(huán)節(jié)以此類推。

2.3 驅(qū)動(dòng)buffer

參考電平到內(nèi)部DAC量化之間，需要有驅(qū)動(dòng)電路。否則，DAC的內(nèi)部電平將不能有效建立。在本設(shè)計(jì)中為了驅(qū)動(dòng)電容式DAC的采樣電容，在320M時(shí)鐘頻率下完成采樣與量化過(guò)程，對(duì)buffer的精度與驅(qū)動(dòng)能力均提出要求，尤其是驅(qū)動(dòng)速度，要求比較器兩端電平迅速建立并穩(wěn)定。這樣就需要較大壓擺率與帶寬的驅(qū)動(dòng)buffer，電路中采用了折疊式共源共柵加推挽輸出級(jí)的運(yùn)放電路，這種電路可以提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，參考電壓的buffer消耗了1.3mA的電流，電路如圖5所示。

圖5

2.4 控制電路

2.4.1 SAR controller

SAR controller的主要作用是對(duì)SAR輸出的各種時(shí)鐘，包括比較器時(shí)鐘、采樣、RESET、DAC開(kāi)關(guān)等時(shí)序進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)控制部分以SAR控制器為核心。

SAR控制通過(guò)JK上升沿觸發(fā)器，其中比較器的輸出結(jié)果D控制K端，當(dāng)D為1時(shí)，選擇接地，當(dāng)D為0時(shí)選擇移位寄存器端口，SAR控制電路如圖6所示。

圖6

圖7

2.4.2 DAC邏輯部分

根據(jù)邏輯要求可以得到相關(guān)信號(hào)的表達(dá)式分別為：

由以上的表達(dá)式可以構(gòu)建DAC的邏輯電路如圖7所示。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇輸入信號(hào)頻率為3.9453125M、10.2734375M和17.8515625M，時(shí)鐘頻率為320M進(jìn)行仿真，連續(xù)采樣該ADC 1024次，對(duì)結(jié)果進(jìn)行FFT分析，得到典型下的結(jié)果分別為：

SNR=36.48dB,SFDR=51.32dB；SNR=36.50dB，SFDR=50.83dB；SNR=36.52dB，SFDR=50.99dB，典型下的功耗為1.37mA，其中圖8為典型下的仿真結(jié)果。

圖8

在其他條件下進(jìn)行仿真其中最差情況為：高溫高壓ff ff ff輸入信號(hào)頻率為17.8515625MHz，SNR=35.69dB，SFDR=49.74dB。

最好情況為：高溫低壓下ss ss ss輸入信號(hào)頻率為3.9453125MHz，SNR=37.41dB，SFDR=53.86dB。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用在北斗多模導(dǎo)航SOC芯片中的逐次逼近ADC，分別對(duì)DAC、比較器、驅(qū)動(dòng)buffer、邏輯電路進(jìn)行了合理的選擇并優(yōu)化，可以完成逐次逼近的工作，該逐次逼近ADC是在Smic40的工藝下完成的，由仿真結(jié)果可知在輸入信號(hào)為3.9453125M時(shí)SNR 和SFDR分別達(dá)到36.48dB和51.32dB。

參考文獻(xiàn)

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