SAR ADC中高能效电荷均值开关方法

王浩， 钟伦贵， 谢文明， 郑少烽

(福建工程学院 信息科学与工程学院， 福建 福州 350118)

SAR ADC中高能效电荷均值开关方法

王浩， 钟伦贵， 谢文明， 郑少烽

(福建工程学院 信息科学与工程学院， 福建 福州 350118)

提出一种逐次逼近型模数转换器(successive approximation register analog-to-digital converter，SAR ADC)高能效电荷均值开关方法。该方法能够提供恒定的共模电压VCM，大小为VREF的一半，且只需要使用两个参考电压VREF和地，避免了额外的电压基准电路。为了增加一位精度并保持恒定的共模电压，C-2C结构替代参考电容C。与单调开关方法相比，该方法能耗减少66.65%，电容面积减少49.41%。行为仿真结果证明了该方法的有效性。

高能效； 电荷均值； 开关方法； SAR ADC

近几年，SAR ADC因其极低的功耗而广泛应用于无线传感网络和生物医学器件中。SAR ADC主要包括3个部分：数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)、比较器和SAR控制逻辑。SAR控制逻辑受益于先进的工艺和较低的电源电压，功耗比较低；动态比较器只在再生状态消耗能量。因此，DAC在SAR ADC功耗中起支配作用。人们陆续提出一些DAC低功耗开关方法[1-5]。和传统结构SAR ADC开关方法相比，单调结构开关方法[1]、三电平结构开关方法[2]、电荷均值开关方法[3]、Rahimi & Yavari开关方法[4]和Kim开关方法[5]开关能量分别减少81.2%，96.89%，74.76%，93.7%和91.02%。但是这5种开关方法均存在一些缺陷。其中，三电平结构开关方法[2]和Rahimi &Yavari开关方法[4]功耗较低，但是需要额外的基准产生电路，消耗的总能量会增加。单调结构开关方法[1]、电荷均值开关方法[3]和Kim开关方法[5]只需要两个参考电平，但是功耗偏高。在结合电荷均值开关方法和C-2C结构电容的基础上，提出一种高能效的电荷均值开关方法。

1 高能效电荷均值开关方法

高能效电荷均值开关方法3位结构如图1所示。很明显，参考电容C被C-2C结构电容取代，这会增加1位精度。首先，采用上极板采样而不是下极板采样，并且对应电容的下极板连接到一起。然后，打开采样开关。通过比较，在没有消耗开关能量的情况下，获得了最高有效位(most significant bit，MSB)，因为电容连接状态没有发生改变。如果MSB = “1”，VDACP端的MSB电容，也就是最大电容切换到地，它所对应的VDACN端的MSB电容切换到VREF，其他电容连接状态不变。如果MSB = “0”，情况相反。通过再一次比较，得到了次高有效位2nd-MSB。上述位产生过程一直重复直到获得次低有效位2nd-LSB。与此同时，C-2C结构电容中的一个电容C和前面的切换类似。通过最后一次比较，获得了最低有效位(least significant bit，LSB)。

输出电压共模电平以及波形的逐次逼近过程如图2所示。由图2可以看到，DAC输出共模电压VCM始终保持不变，因为较小的电压增加部分和较大电压增加部分数量相等。恒定的共模电压可以降低对比较器输入失调电压的要求。

图1 提出的3位开关方法Fig.1 The proposed 3-bit switching scheme for SAR ADC

图2 提出的开关方法的逐次逼近波形Fig.2 Successive approximation waveform of the proposed switching scheme

2 DAC输出精度

踢回噪声是值得重视的一个问题，因为它会导致DAC输出瞬间上升或下降。结果，其共模电压VCM也会随之上升或下降。下面用数学分析来阐述VCM变化对DAC输出精度的影响。如果VDACP和VDACN有同样的变化量ΔV，其共模电压为VCM±ΔV。假设第i位为“1”，则在第(i+1)位转换过程中，

(1)

(2)

根据(1)和(2)，可以得到DAC输出电压

(3)

很明显，踢回噪声引起VCM变化并不会影响DAC输出精度，因为它采用了差分结构。

3 开关能耗分析

表1 不同开关方法性能比较

图3 不同结构开关方法消耗开关能量Fig.3 Switching energy consumed by different schemes

图3为其开关能量和其他开关方法随数字输出码的变化情况。假设每一个数字输出码等概率出现，对于N位SAR ADC来讲，所提出的开关方法消耗的平均开关能量为

(4)

4 线性分析

C-2C结构电容中衰减电容2C的上极板寄生效应可以忽略，因为它只会导致增益误差而不会影响线性性能。假设2C下极板寄生电容为C-2C结构电容(2C+C+C)的5%，并且单位电容服从高斯分布，标准差为1%。为了分析所提出的高能效开关方法的线性，进行了1 000次蒙特卡洛仿真，其积分非线性(integral-nonlinearity，INL)和差分非线性(differential-nonlinearity，DNL)标准差如图4所示。

5 结论

提出一种应用于SAR ADC高能效电荷均值开关方法。该方法结合了电荷均值开关方法和C-2C结构电容。与传统开关方法相比，其开关功耗和电容面积分别减少了93.75%和74.41%，并且输出电压共模电平恒定,适用于低功耗SAR ADC应用。

[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.

(特约编辑：黄家瑜)

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

福建工程学院科研启动基金(GY-Z160057,GY-Z11002)；福建省教育厅资助项目(JAT160314,JA06031)

王浩(1987- )，男，山东滕州人，讲师，博士，研究方向：模拟及混合信号集成电路设计。

TN43

A

1672-4348(2017)03-0285-04