一種18位SARADC的設計實現(xiàn)

　1 引言

　　數(shù)字信號處理技術在高分辨率圖象、視頻處理及無線通信等領域的廣泛應用， 導致對高速、高精度、基于標準CMOS 工藝的可嵌入式ADC 的需求量與日俱增。對于迅速發(fā)展的基于IP 設計的片上系統(tǒng)集成技術， 功耗低、面積小、可嵌入的ADC 核心模塊逐漸成為數(shù)模混合信號IC 設計的關鍵。伴隨技術的發(fā)展， ADC 的結構出現(xiàn)了多種實現(xiàn)方案， 如過采樣Σ- △型、全并行（ Flash） 、流水線和逐次逼近（ Successive-approximatiON RegiSTer） 等結構。其中， FlashADC 轉換器和Σ- Δ ADC 轉換器，它們分別滿足高速、高精度兩個極端的需求。而逐次逼近轉換器（ SARADC） 具有中等速度（ 5 MS/s 以下） 、中等精度（ 8~18 位） 、低功耗和低成本的綜合優(yōu)勢，在更加廣闊的領域中得到了應用。

　　由于SARADC 能夠適應多種模擬輸入方式（ 單級、雙級、差分） , 在開關、多通道應用中能保證零數(shù)據延遲，而且速度、精度適中， 功耗、成本低， 因此， 在工業(yè)控制方面應用廣泛， 適用于測量各種物理量的傳感器。例如， 在傳感器網絡中， 成千上萬個傳感器節(jié)點由1 塊電池或者幾平方毫米的太陽能電池供電， 這就要求傳感器節(jié)點面積小、成本低， 而且長時間工作消耗的能量也很小， SAR ADC 可滿足這種應用需求。SAR ADC 還廣泛應用于醫(yī)學儀器的成像系統(tǒng)， 例如CT 掃描儀、MRI 和X 射線系統(tǒng)。SAR ADC零延遲、較高采樣速率和較好DAC 指標的優(yōu)勢， 保證了成像系統(tǒng)的高刷新速率和高成像分辨率； 而且，這種ADC 面積小、功耗低等優(yōu)勢在便攜式醫(yī)學儀器、安防安檢系統(tǒng)應用中也得到了充分發(fā)揮。

　　然而， ADC 的精度和線性度會受到元件匹配度和系統(tǒng)失調以及噪聲等因素的限制， 因此通常需要采用自動失調消除、數(shù)字校準等技術以改善其性能。

　　激光矯正技術通常用以提高轉換器中元件的匹配度， 但也同時受到封裝時的機械應力、制造工藝以及生產成本等問題的影響。

　　本文提供了一種基于二進制加權電容陣列DAC 的數(shù)字校準算法， 將校準誤差在芯片測試時測出并燒寫到ROM中， 并在ADC 應用時將ROM中的數(shù)據讀出對應加載到電容陣列中， 實現(xiàn)對DAC 的校準； 同時采用了高效的比較器消除失調技術， 大大提高了ADC 的精度。

　　2 SAR ADC概述

　　實現(xiàn)逐次逼近式ADC 的方式千差萬別， 但其基本結構非常簡單。如圖1 所示， 模擬輸入電壓（ VIN） 由采樣/ 保持電路保持。如圖2 所示， 為實現(xiàn)二進制算法， N 位寄存器首先設置在中間刻度（ 即：100 …….00, MSB 位1） .這樣， 數(shù)字模擬轉換器（ DAC） 輸出（ VDAC） 被設為VREF/2, VDAC 是提供給ADC 的基準電壓。然后， 比較判斷VIN 是小于還是大于VDAC.如果， VIN>VDAC, 則比較器輸出邏輯高電平或1, N 位寄存器的MSB 保持為1.相反， 如果VIN VDAC, 則比較器輸出邏輯低電平， N位寄存器的MSB 清為0.隨后， 逐次逼近控制邏輯移至下一位， 并將該位設置為高電平， 進行下一次比較。這個過程一直持續(xù)到最低有效位（ LSB） .上述操作結束后就完成了轉換， N 位轉換結果儲存在寄存器內。



圖1 N位逐次逼近A/ D 轉換器的結構圖



圖2 A/ D 轉換器的逐次逼近過程

　　3 數(shù)字校準算法

　　目前， 工業(yè)界的SARADC 產品以二進制加權電容陣列、分段電容和RC 混合結構三種結構為主， 精度從10 位到18 位不等。其中， 二進制加權電容陣列構成的SARADC 由于低功耗的優(yōu)勢應用更為廣泛。

　　由于CMOS 工藝的限制， 無源器件的匹配精度不高， 二進制加權電容陣列SARADC 轉換器只能達到12 位精度。利用激光修正等技術， 可以提高無源器件的匹配精度， 但是成本較高， 不適于工業(yè)生產。因此， 提出了各種自校準方法， 以提高無源器件的匹配精度， 從而提高轉換精度。如使用失調子DAC 和校準子DAC 預先對主DAC 的低位充電， 以達到校準的目的； 或使用多位非二進制加權電容DAC 和自校準算法， 使電容匹配達到較高的精度。

　　數(shù)字校準技術的意義即在ADC 正常使用前， 利用ADC 的已有電路對芯片的非線性因素進行測試，通過一定算法并根據ADC 使用時的時序產生相應的校準碼， 加之于存儲器中， 在ADC 工作時通過數(shù)字控制邏輯將所存校準數(shù)據對應加載到電路中， 從而達到校準失配的目的。對于本次SARADC 的設計， 我們采用結構對稱的兩組18 位電容陣列數(shù)模轉換器（ DAC） 輸入至比較器的正負輸入端（ 準差分結構） , 如圖3, 這種對稱輸入可以使比較器正負兩端輸入負載相等， 另一方面， 兩電容陣列的高位DAC 可對全差分信號進行采樣， 并輸出全差分的參考電壓， 而電容陣列I 的低位作為正常的低位子DAC 使用產生SAR 所需的參考電壓， 電容陣列II的低位則用于測量和校準兩組電容陣列高位的非線性。



圖3 數(shù)字校準算法示意圖

校準碼的產生和使用可以有不同的算法， 中介紹了一種由高位到低位校準方法， 本文設計了一種由低位到高位依次校準的方法。校準測試時電容陣列工作于兩種狀態(tài)： 首先是接入一組電容， 電容陣列輸出接地， 即比較器兩輸入端均為0, 如圖4（ a） 所示； 而后接入待測電容， 輸出直接接入比較器兩輸入端產生比較結果， 如圖4（ b） 所示， 根據比較器的輸出及外部的搜索算法調整電容陣列II 低位DAC 的輸出從而測得待測電容所對應的寄生參數(shù)（ 設計要求此DAC 的精度比正常使用時的DAC 至少高1位） , 通過對此數(shù)據的處理便可以得到相應的校準碼。為實現(xiàn)由低至高的校準， 測試時需要用到電容陣列I 低位的3 組電容C1, C2, C3, 理想情況下它們的權值應與兩組電容陣列低位DAC 的最高位相當，考慮到不匹配問題， 可設C1≈C2≈C3, 設電容陣列II 低位DAC 接入的電容值為Cc, 根據二進制加權電容陣列性質可知Cc 的等效輸出范圍在0 到2 倍C1 之間。初次測試時， 第一狀態(tài)僅接入C1, 第二狀態(tài)接到C2, C3 上， 同時電容陣列II 的可變Cc 接入，如圖4, 通過觀察比較器的輸出， 可知， 當比較器輸出跳變時， 有：



　　Cc1 為Cc 當前值， 可通過外部SAR 算法搜索得到。



圖4 ADC校準時分為兩個狀態(tài)

　　接下來即可對高位DAC 的最低位進行測試和校準， 設此位電容權值為CH1, 第一狀態(tài)電容接入C1, C3, 第二狀態(tài)則接入C2, CH1 和Cc, 同理可得：



　　依上述方法可以推得:



　　ΣΔCc 為每位所對應Cc 差值與已校準低位Cc 差值的累加和， 將此電容值對應的二進制碼用有符號數(shù)表示即所需校準碼， 隨后可以通過一次性燒寫電路存儲到ROM中， 完成SARADC 的校準測試。

　　數(shù)字校準的具體實現(xiàn)方法， 可通過添加芯片狀態(tài)控制端口實現(xiàn)。如表1 中所示， 測試時將兩個控制端口接地， 應用上述算法獲得校準碼； 隨后將控制端口P2 接至高電平， 此時將所需的校準碼寫入到芯片的ROM中； ADC 正常使用時， 將兩個控制端口接到數(shù)字電源上即可。各個工作狀態(tài)的具體邏輯電路實現(xiàn)， 遵循數(shù)字集成電路設計規(guī)程， 并需針對不同狀態(tài)對芯片的端口進行配置。

表1 不同的控制端口邏輯實現(xiàn)芯片工作狀態(tài)的切換



　　4 比較器失調消除技術

　　為實現(xiàn)較高的轉換速度， 本次設計采用多級比較器結構，由四級低增益放大器和一級鎖存器構成， 而高精度的實現(xiàn)需要對比較器進行失調校準技術。比較器的失調電壓是由于電路元件的失配造成的， 這種失配通常是隨機的， 不能預先估計。失調電壓的存在會影響比較器的精度， 在較高分辨率的ADC 中， 輸入失調電壓不能太大， 這就要使用失調校準技術。失調校準技術在MOS 工藝中是適用的，這是因為MOS 器件的輸入電阻近似無限大， 使得晶體管柵極上可以長期貯存電荷， 可以將失調電壓貯存在電容上， 通過與輸入疊加來消除失調電壓的影響。本次設計， 我們采用在每一級放大器加入輔助輸入端的方法， 消除比較器的失調。



圖5 利用輔助輸入端消除失調技術

　　如圖5 所示， 主放大器被設計成由兩個跨導放大器組成， 由于比較時用于開環(huán)， 增益較小， 可用電阻作負載； A3 為反饋環(huán)路上的調零放大器， 為高增益放大器。消失調時首先， 開關S1 閉合， S2 將主運放兩輸入接至共模電平， 此時通過反饋環(huán)路， 輔助運放輸入端上的電容存儲的失調電壓設為Vc, 則：



　　可得：



　　當S1 斷開， S2 接入輸入信號時， 比較器正常工作， 由于Vc 的作用， 可以得到此時在比較器輸入端的等效失調電壓為：



　　根據ADC 的精度和電容陣列的校準算法， 并通過調節(jié)輔助運放和調零運放的增益使多級比較器的精度達到設計要求， 本次設計比較器的精度需高于19 位。圖6 為加入輔助輸入端的低增益跨導放大器的電路設計， 本次設計各級前放的增益約為22dB.

調零放大器采用全差分折疊式共源共柵結構， 一方面可實現(xiàn)高增益， 另一方面用于構成單位負反饋， 從而可用電容檢測并消除自身的失調。本次設計， 該運放增益需要達到70dB 以上， 同時為保證輸出共模電平的穩(wěn)定需加入共模反饋。



圖6 前置跨導放大器的電路實現(xiàn)

　　5 仿真結果

　　比較器的測試可采用動態(tài)失調測試平臺（ DOTB） 進行，如圖7 所示。此方法運用單位增益放大器、積分器的性質， 將比較器接入環(huán)路， 通過對測試精度的調整， 最終得到比較器的等效輸入失調。



圖7 動態(tài)失調測試平臺框圖

　　測試結果（ 圖8） 表明： 加入消失調機制后， 多級比較器等效輸入失調約為3μV（ 4μV） , 從而使比較器的精度達到了20 位。



圖8 單級比較器動態(tài)失調測試結果。

　　通過對ADC 進行頻譜分析， 測量其動態(tài)性能，即可反映ADC 的精度與線性度，并驗證數(shù)字校準的效果。為避免頻譜泄漏[7], 加入的正弦激勵信號的頻率和采樣頻率應滿足如下關系：

　　Fin、Fs 分別表示輸入信號頻率和采樣頻率， Npoint為采樣點數(shù)， n 為正整數(shù)， 且n


圖9 ADC正弦激勵下的頻譜分析（ a） 未校準（ b） 校準后。

　　6 結論

　　本設計通過由低到高依次校準電容陣列的方法， 改善了電容DAC 的線性度； 利用輔助輸入端消失調技術， 將比較器的精度提高到設計所需的指標。

　　實現(xiàn)了18bit 的精度要求。采用了多級比較器各級一次性消失調的結構， 提高了ADC 的轉換速度； 同時， 電容陣列DAC 的設計和運用使得較低的功耗成為本次SARADC 設計的另一優(yōu)點。