SAR ADC中高能效電荷均值開關(guān)方法

王浩， 鐘倫貴， 謝文明， 鄭少烽

(福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

SAR ADC中高能效電荷均值開關(guān)方法

王浩， 鐘倫貴， 謝文明， 鄭少烽

(福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

提出一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(successive approximation register analog-to-digital converter，SAR ADC)高能效電荷均值開關(guān)方法。該方法能夠提供恒定的共模電壓VCM，大小為VREF的一半，且只需要使用兩個(gè)參考電壓VREF和地，避免了額外的電壓基準(zhǔn)電路。為了增加一位精度并保持恒定的共模電壓，C-2C結(jié)構(gòu)替代參考電容C。與單調(diào)開關(guān)方法相比，該方法能耗減少66.65%，電容面積減少49.41%。行為仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

高能效； 電荷均值； 開關(guān)方法； SAR ADC

近幾年，SAR ADC因其極低的功耗而廣泛應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)和生物醫(yī)學(xué)器件中。SAR ADC主要包括3個(gè)部分：數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter，DAC)、比較器和SAR控制邏輯。SAR控制邏輯受益于先進(jìn)的工藝和較低的電源電壓，功耗比較低；動態(tài)比較器只在再生狀態(tài)消耗能量。因此，DAC在SAR ADC功耗中起支配作用。人們陸續(xù)提出一些DAC低功耗開關(guān)方法[1-5]。和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)SAR ADC開關(guān)方法相比，單調(diào)結(jié)構(gòu)開關(guān)方法[1]、三電平結(jié)構(gòu)開關(guān)方法[2]、電荷均值開關(guān)方法[3]、Rahimi & Yavari開關(guān)方法[4]和Kim開關(guān)方法[5]開關(guān)能量分別減少81.2%，96.89%，74.76%，93.7%和91.02%。但是這5種開關(guān)方法均存在一些缺陷。其中，三電平結(jié)構(gòu)開關(guān)方法[2]和Rahimi &Yavari開關(guān)方法[4]功耗較低，但是需要額外的基準(zhǔn)產(chǎn)生電路，消耗的總能量會增加。單調(diào)結(jié)構(gòu)開關(guān)方法[1]、電荷均值開關(guān)方法[3]和Kim開關(guān)方法[5]只需要兩個(gè)參考電平，但是功耗偏高。在結(jié)合電荷均值開關(guān)方法和C-2C結(jié)構(gòu)電容的基礎(chǔ)上，提出一種高能效的電荷均值開關(guān)方法。

1 高能效電荷均值開關(guān)方法

高能效電荷均值開關(guān)方法3位結(jié)構(gòu)如圖1所示。很明顯，參考電容C被C-2C結(jié)構(gòu)電容取代，這會增加1位精度。首先，采用上極板采樣而不是下極板采樣，并且對應(yīng)電容的下極板連接到一起。然后，打開采樣開關(guān)。通過比較，在沒有消耗開關(guān)能量的情況下，獲得了最高有效位(most significant bit，MSB)，因?yàn)殡娙葸B接狀態(tài)沒有發(fā)生改變。如果MSB = “1”，VDACP端的MSB電容，也就是最大電容切換到地，它所對應(yīng)的VDACN端的MSB電容切換到VREF，其他電容連接狀態(tài)不變。如果MSB = “0”，情況相反。通過再一次比較，得到了次高有效位2nd-MSB。上述位產(chǎn)生過程一直重復(fù)直到獲得次低有效位2nd-LSB。與此同時(shí)，C-2C結(jié)構(gòu)電容中的一個(gè)電容C和前面的切換類似。通過最后一次比較，獲得了最低有效位(least significant bit，LSB)。

輸出電壓共模電平以及波形的逐次逼近過程如圖2所示。由圖2可以看到，DAC輸出共模電壓VCM始終保持不變，因?yàn)檩^小的電壓增加部分和較大電壓增加部分?jǐn)?shù)量相等。恒定的共模電壓可以降低對比較器輸入失調(diào)電壓的要求。

圖1 提出的3位開關(guān)方法Fig.1 The proposed 3-bit switching scheme for SAR ADC

圖2 提出的開關(guān)方法的逐次逼近波形Fig.2 Successive approximation waveform of the proposed switching scheme

2 DAC輸出精度

踢回噪聲是值得重視的一個(gè)問題，因?yàn)樗鼤?dǎo)致DAC輸出瞬間上升或下降。結(jié)果，其共模電壓VCM也會隨之上升或下降。下面用數(shù)學(xué)分析來闡述VCM變化對DAC輸出精度的影響。如果VDACP和VDACN有同樣的變化量ΔV，其共模電壓為VCM±ΔV。假設(shè)第i位為“1”，則在第(i+1)位轉(zhuǎn)換過程中，

(1)

(2)

根據(jù)(1)和(2)，可以得到DAC輸出電壓

(3)

很明顯，踢回噪聲引起VCM變化并不會影響DAC輸出精度，因?yàn)樗捎昧瞬罘纸Y(jié)構(gòu)。

3 開關(guān)能耗分析

表1 不同開關(guān)方法性能比較

圖3 不同結(jié)構(gòu)開關(guān)方法消耗開關(guān)能量Fig.3 Switching energy consumed by different schemes

圖3為其開關(guān)能量和其他開關(guān)方法隨數(shù)字輸出碼的變化情況。假設(shè)每一個(gè)數(shù)字輸出碼等概率出現(xiàn)，對于N位SAR ADC來講，所提出的開關(guān)方法消耗的平均開關(guān)能量為

(4)

4 線性分析

C-2C結(jié)構(gòu)電容中衰減電容2C的上極板寄生效應(yīng)可以忽略，因?yàn)樗粫?dǎo)致增益誤差而不會影響線性性能。假設(shè)2C下極板寄生電容為C-2C結(jié)構(gòu)電容(2C+C+C)的5%，并且單位電容服從高斯分布，標(biāo)準(zhǔn)差為1%。為了分析所提出的高能效開關(guān)方法的線性，進(jìn)行了1 000次蒙特卡洛仿真，其積分非線性(integral-nonlinearity，INL)和差分非線性(differential-nonlinearity，DNL)標(biāo)準(zhǔn)差如圖4所示。

5 結(jié)論

提出一種應(yīng)用于SAR ADC高能效電荷均值開關(guān)方法。該方法結(jié)合了電荷均值開關(guān)方法和C-2C結(jié)構(gòu)電容。與傳統(tǒng)開關(guān)方法相比，其開關(guān)功耗和電容面積分別減少了93.75%和74.41%，并且輸出電壓共模電平恒定,適用于低功耗SAR ADC應(yīng)用。

[1] Liu C C, Chang S J, Huang G Y, et al. A 10-bit 50-MS/s SAR ADC with a monotonic capacitor switching procedure[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,2010,45(4):731-740.

[2] Yuan C, Lam Y. Low-energy and area-efficient tri-level switching scheme for SAR ADC[J]. Electronics Letters,2012,48(9):482-483.

[3] Liou C Y, Hsieh C C. A 2.4-to-5.2 fJ/conversion-step 10b 0.5-to-4MS/s SAR ADC with charge-average switching DAC in 90nm CMOS[C]∥IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC). San Francisco, CA, USA. Feb 17-21,2013.Washington:IEEE,2013.

[4] Rahimi E, Yavari M. Energy-efficient high-accuracy switching method for SAR ADCs[J]. Electronics Letters,2014,50(7):499-501.

[5] Kim J E, Cho S J, Kim Y S, et al. Energy-efficient charge-average switching DAC with floating capacitors for SAR ADC[J]. Electronics Letters,2014,50(16):1131-1132.

(特約編輯：黃家瑜)

Energy-efficient charge-average capacitor switching scheme for SAR ADC

Wang Hao, Zhong Lungui, Xie Wenming, Zheng Shaofeng

(College of Information Science and Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118， China)

An energy-efficient charge-average capacitor switching scheme was proposed for successive approximation register analog-to-digital converters (SAR ADCs). The charge-average technique ensures constant common-mode voltageVCM, which isVREF/2. Thus, only two reference voltages,VREFand ground, are utilized，avoiding extra circuit for generating references. Besides, to add one more bit precision and to keep common-mode voltage constant, a dummy capacitor is realized by C-2C structure instead of unit capacitor C. As a result, the proposed switching technique can save energy by 66.65% and reduce capacitor area by 49.41%, respectively, compared to the monotonic switching scheme. Behavioural simulation results indicate that the proposed switching scheme is effective.

high energy-efficiency；charge-average； switching scheme； successive approximation register analog-to-digital converters(SAR ADC)

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.017

2017-03-30

福建工程學(xué)院科研啟動基金(GY-Z160057,GY-Z11002)；福建省教育廳資助項(xiàng)目(JAT160314,JA06031)

王浩(1987- )，男，山東滕州人，講師，博士，研究方向：模擬及混合信號集成電路設(shè)計(jì)。

TN43

A

1672-4348(2017)03-0285-04