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国际计算机与通信工程创新研究杂志

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高速低功耗分裂sar adc的实现

m . Ranjithkumar1, C.Selvi2, M.Bhuvaneswaran3.
  1. 印度纳玛卡尔Muthayammal工程学院电子与通信工程系PG学者
  2. 印度纳玛卡尔Muthayammal工程学院电子与通信工程系助理教授
  3. 印度纳玛卡尔Muthayammal工程学院电子与通信工程系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文分析了SAR adc中的寄生效应。与固定和充电回收开关方法相比，实现了显著的开关节能。ADC中的逐次逼近技术是众所周知的逻辑，在本文的设计中，基于两种切换方法(基于VCM的切换，切换到回切过程)的具有分裂DAC结构的逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)的线性分析。主要目的是实现电容阵列DAC的设计，并利用45nm技术实现中等分辨率的高速。目前的合成孔径雷达(SAR)结构采用内置采样和保持电路，因此大大节省了芯片面积。另一个优点是电容的匹配比电阻更好。电能、速度、分辨率和线性度的测量结果清楚地显示了使用基于vcm的开关的好处。在本设计中，SAR模数转换器设计在开关回切过程中，控制模块完全控制模块的分离，我们计划提供一个选项，使用低电平输入位来改变运算速度。一个专用的多路复用器是为此目的而设计的系统。

关键字
线性度分析，线性度校准，分辨率SAR adc，分割DAC，基于vcm的切换，切换回过程。

介绍

1.1选择合适的ADC架构
选择正确的体系结构是一个非常关键的决定。下面的图1展示了常见的ADC(模数转换器)架构，它们的应用，分辨率和采样率。Sigma Delta ADC架构对于低采样率和高分辨率(大约12-24位)非常有用。
Sigma-delta ADC架构的常见应用是在语音频带、音频和工业测量中。逐次逼近(SAR)结构非常适合于数据采集;它的分辨率从8位到18位，采样率从50 KHz到50 MHz。创建具有8到16位分辨率的Giga速率应用程序的最有效方法是管道ADC架构。

1.2 SAR ADC架构
SAR结构主要采用二分搜索算法。SAR ADC由更少的模块组成，如一个比较器，一个DAC(数模转换器)和一个控制逻辑。算法非常类似于从电话簿中查找号码。例如，要从电话簿中搜索一个电话号码，首先，打开电话簿，号码可能位于电话簿的前半部分或后半部分。进一步，将相关部分分为两半。可以按照这个步骤进行，直到找到相应的号码。SAR ADC的主要优点是良好的速度与功率比。
与闪光ADC相比，SAR ADC具有紧凑的设计，这使得SAR ADC价格低廉。SAR ADC的物理限制是，它在整个会话过程中只有一个比较器。如果比较器中有任何偏移误差，它将反映在所有转换位上。另一个来源是DAC中的增益误差。然而，静态参数误差并不影响SAR ADC的动态性能。

1.2.1 SAR逻辑
SAR逻辑是一个纯粹的数字电路，它由三个主要部分组成，
•计数器
•位寄存器
•数据寄存器
计数器提供定时控制和开关控制。对于8位转换，使用7个dff (D触发器)。下表1解释了在SAR操作的不同阶段，哪些位设置为高。

2现有的系统

2.1 V厘米基于切换
传统的二元加权电容器阵列由于MSB电容器与LSB电容器的电容比较大而限制了较高的分辨率。为了解决这一问题，可以应用一种称为分裂电容器技术。例如，为了达到8bit的分辨率，可以将电容阵列进行spited，如下图3所示。
衰减电容分为LSB电容阵列和MSB电容阵列。在这里，LSB与MSB电容器之间的比率(C到8Cc)与传统的二元加权电容器阵列相比大幅降低。
基于Vcm的方法通过将差分阵列连接到Vcm来执行MSB转换。功耗只是来自于驱动电容阵列的底板寄生所需要的，而在传统的电荷再分配中，必要的MSB“向上”过渡消耗了大量的开关能量和稳定时间。此外，由于不再需要MSB电容器，它可以从n位DAC阵列中移除。因此，接下来的n−1 b估计是用(n−1)位阵列而不是它的n位对应物完成的，导致相对于传统方法电容降低一半。

2.2采样阶段
在采样阶段，电容阵列的底板连接到Vin，如图4所示。复位开关仍在因此顶板上的VCM;电容阵列电压为Vin-VCM。在电荷转移阶段，电容阵列底板切换为VCM，顶板浮动如图7所示。在此阶段，复位开关断开。如图7所示，在电荷转移阶段，电容阵列底板切换为VCM，顶板浮动。在此阶段，复位开关断开。因此，顶板电压Vx，为:

2.4取样和保存
一般情况下，采样保持电路(SHC)包含一个开关和一个电容。在跟踪模式下，当采样信号高且开关接通时，它跟踪模拟输入信号。然后，当采样信号在保持模式下变为低时，它保持该值。在这种情况下，采样和保持在转换器的输入端提供恒定的电压。无论S/H类型(固有S/H还是单独S/H)，采样操作对ADC的动态性能(如SNDR)都有很大的影响。

3提出了系统
在提议的系统中，我们计划以不同频率输入的可配置方式实现SAR ADC，可配置意味着整个ADC架构可以通过改变ADC的Vref来实现不同的性能。通常在所有ADC Vref, Vin, Vth发挥。在adc转换中的主要作用，通过改变Vref的值。我们可以改变ADC的性能，我们通过多路复用器存储不同的Vref值，用于选择我们有计数器的多路输入，参考信号发生器产生不同的模拟信号来测试我们的ADC。sar ADC在电路级和架构级上都提供了高度的可配置性。在架构级别，循环顺序和过采样比可以改变，包括块的数量，以及这些块的排列方式。在电路层面，很多东西都可能改变，比如偏置电流、放大器性能、量化分辨率等。

3.1方框图
如果按照ADC中块的使用和排序方式重新配置ADC，则这是ADC的架构更改，或架构可重新配置。这些块也可以被改变，例如放大器是如何偏压的，或者一个量子数在SAR ADC中有多少位分辨率。这些是电路级可重构性如何应用于ADC的例子。

3.1.1模块介绍
在第一个模块中，我们设计了选择网络，为逐次逼近寄存器ADC提供适当的输入，并分析了所设计网络的性能。在第二个模块中，我们设计了采样保持电路，用于处理来自选择网络的给定模拟信号。在此之后我们测量了所设计电路的性能。在第三个模块中，我们设计了有效的模拟到数字的逐次逼近寄存器逻辑。

3.2.3 SONDAE_APPLICATION
无线电探空仪(Sonde在法语和德语中是探测器的意思)是一种用于气象气球上的设备，它可以测量各种大气参数，并将它们传输到固定的接收器上。无线电探空仪可以在403的无线电频率下工作
MHz或1680 MHz，两种类型都可以根据需要稍高或稍低调整。raw in探空仪是一种无线电探空仪，它被设计用来测量风速和风向。通俗地说，探空仪通常被称为无线电探空仪。现代无线电探空仪测量或计算以下变量:
高空探测有两个主要目的:分析和描述当前的天气模式，以及为短期和中期计算机天气预报模式提供输入。大气探测的一个非常重要的、专门的用途是支持预报飓风的运动。由气象侦察飞机发射的特殊无线电探空仪被称为降压风探空仪，用于观察飓风中心以及风暴本身顺风处的大气结构。

3.2.4寻风
有几种只用气球或气球和无线电探空仪组合测量风的技术。当无线电探空仪测量风时，它被称为无线电风探空仪或雨点探空仪。探空仪寻风方法差别很大。在所有情况下，风都是通过观察气球的漂移来确定的。一类风测量技术使用以下三种方法之一从外部跟踪气球:(1)光学系统使用经纬仪直观地跟踪气球的方位角和仰角;(2)无线电使经纬仪跟踪从无线电探空仪上发射机发出的无线电信号，再次获得方位角和仰角信息;并且(3)雷达系统跟踪一个悬挂在气球上的雷达反向反射器以获得倾斜距离、方位角和仰角。

3实验结果与比较

(i)模拟信号仿真结果
光学系统使用经纬仪来直观地跟踪气球的方位和仰角。

(二)Sondae应用仿真结果
无线电:经纬仪跟踪从无线电探空仪上的发射机发出的无线电信号，再次获得方位和仰角信息

(iii)集成仿真结果
雷达系统跟踪悬挂在气球上的雷达反向反射器以获得倾斜距离、方位角和仰角。

四。结论
介绍了工作速率为数十MS/s的SAR adc，采用常规和vcm切换。通过仿真和实测结果分析并验证了dac开关和结构的线性特性。与传统方法相比，基于vcm的开关技术提供了更好的转换线性度，因为它的阵列在每个比特循环中的电容相关性。减小总电容的最大比值和总和可以节省面积和提高功率效率。这使得SAR转换器可以在高速工作的同时满足低功耗的要求。ADC功耗为1.46mW，占地面积仅为0.012mm2。测量的性能对应于39fJ/转换步长FOM，这与最好的已发表的adc相当。

表格一览
表的图标 表的图标
表1 表2

数字一览
图1 图2 图3
图1 图2 图3
图2 图3 图4
图4 图6 图8

参考文献






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