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应用于SAR ADC的高能效电容开关转换方案
来源:一起赢论文网     日期:2019-01-25     浏览数:332     【 字体:

  曾华林等:应用于 SAR ADC的高能效电容开关转换方案将同相端CMSB电容阵列中对应的电容从接地转换为接Vcm。电容开关进行第 次比较,得到最低有效位(LSB)的结果。图2 4位 SAR ADC采用的高能效电容开关转换方案综上分析可知,前3次比较过程都没有能量消耗。第4次比较过程中,只有一侧的电容参与转换,进一步节省了电容开关的转换能耗。2 开关转换功耗分析与线性度仿真2.1 开关转换功耗分析采用 Matlab工具对10位SAR ADC进行了行为级 证。 10 SARADC的平均转换能耗和电容面积对比如表1所示。由表1可知,对于10位SAR ADC,传统结构的电容阵列平均转换能耗为1 363.3CV2refJ。本文结构的电容阵列平均转换能耗仅有10.54CV2refJ,能耗降低率为99.23%。与文献[6]相比,本文采用了单边双电平转换方案,平均转换能耗降低了33.58%。10位SAR ADC转换能耗随输出码的变化曲线如图3所示。表1 本文与其他文献中10位 SAR ADC的平均转换能耗与电容面积对比转换方案 平均转换能耗/J转换能耗降低率电容面积减小率传统结构 1 363.3CV2ref0 0单调结构[2]255.5CV2ref81.26% 50%Sanyal结构[5]63.5CV2ref95.34% 75%混合结构[6]15.87CV2ref98.83% 75%本文结构 10.54CV2ref99.23% 75%图3 10位 SAR ADC转换能耗随输出码的变化曲线将本文转换方案应用于 SAR ADC中,平均转换能耗的计算公式为:Eavg= ∑N-3i = 12 N-6-i 1-2-i( )×C×V2ref(1)式中,N ≥ 4。2.2 线性度仿真对于二进制的权电容阵列,每位权电容可由单位电容C 并联得到。假设单位电容是服从高斯分964曾华林等:应用于 SAR ADC的高能效电容开关转换方案 2018年Vcm的转换与单调转换相结合(VMS)的方法,电容的转换能耗分别降低了87.5%、97.6%。文献[5]提出的转换方式使电容的转换能耗降低了 95.34%。文献[6]采用混合转换方式,电容的转换能耗降低了98.83%。为了降低电容阵列的转换能耗,本文提出了一种新型高能效电容开关转换方案。在前3个比较周期中,不需要消耗能量。后续的比较周期中,采用了单边双电平转换技术[7],减小了转换过程中电容阵列充放电的功耗,使 电容 的转 换 功耗进一步降低。相比传统电容阵列,该电容开关的平均转换能耗减小了99.23%。1 高能效开关转换方案SAR ADC在前几次 比较周期中,需要对大电容进行转换,电容极板有较大的电压变化,使得前几次的转换要消耗大量的能量。为了减小转换能耗,采用上极板采样技术和混合转换技术[8]实现了前3个比较周期内无能耗的转换。本文第4次比较周期内的转换方式如图1所示。图1(a)表示采用单边双电平转换方案,图1(b)表示采用单调转换方案。图1 第4次比较周期内的转换方案对比可以看出,单边双电平转换方案中,只有一侧的电容参与转换,即CLSB电容阵列中的同一侧电容由共模电压Vcm转换到地,或 CMSB电容阵列中的电容由地转换到Vcm(Vcm电压值等于参考电压Vref的一半)。另一侧电容的下极板连接状态保持不变。相比单调转换方案,单边双电平转换方案的能耗明显降低(VP(3)<VN(3),转换能耗 只 有单调转 换方案的1/3,VP(3)、VN(3)表示第3次比较时电容上极板的电压)。4位SAR ADC采用的高能效电容开关转换方案如图2所示。图2中,总电容为8C,C 为单位电容,A、B、C、D 对应的是转换过程中的4种状态。利用拆分电容技术,将最高有效位(MSB)电容 2C 拆成2 个单位电容 C 与C 的并联,即 N 位 ADC 的MSB电容为2 N-3 C,拆分后为[2 N-4 C,2 N-5 C…C,C]。因此,构成了 CMSB电容阵列。整个 DAC 电容阵列就由CMSB电容阵和CLSB电容阵列组成。在采样阶段,差分输入信号Vip、Vin通过采样开关接到电容阵列的上极板(接比较器输入端),CMSB电容阵列的下极板接地,其余电容的下极板均接到参考电压Vref。采样过程结束后,进入转换阶段。第1次比较:采样开关关断,比较器将采样得到的差分电压直接进行比较,得到 MSB的值。这个过程没有电容进行转换,不产生任何能耗。第2次比较:根据第1次比较的结果来确定需要转换的电容。若 MSB=1,将比较器反相端 CMSB电容阵列的下极板从接地转换为接Vref,其余电容的连接方式保持不变。若 MSB=0,将比较器同相端CMSB电容阵列的下极板从接地转换为接Vref。电容开关进行第2次比较。本次转换没有消耗额外的能量[9]。第3次比较:CMSB电容阵列和CLSB电容阵列中,将各电容 的 下 极 板 所 接 电 压 序 列 从 [GND,GND,Vref,Vref]转换为[GND,GND,Vcm,Vcm]。为了满足二进制算法搜索,需要进行“向下转换”。例如,图2中 B、D 两种切换状态,要同时将下极板所接电压序列 从 [Vref,Vref,Vref,Vref]转 换 为 [Vcm,Vcm,Vcm,Vcm]。此次的电容转换功耗为 -(1/4)×C×V2ref,不需要从参考电压消耗额外的能量[10]。电容开关进行第3次比较。此次比较使用了Vcm,可适当降低对Vcm的精度要求。第4次比较:为了方便说明,只描述 MSB=1的情况,对应图2中 A、B两种切换状态。若第3位的比较结果为1,将同相端 CLSB电容阵列中对应的电容从接Vcm转换为接地。若第3位的比较结果为0,864:2017-10-09;定稿日期:2017-11-08基金项目:国家自然科学基金资助项目(61774129,61233010);湖南省自然科学杰出青年基金资助项目(2015JJ1014)作者简介:曾华林(1992-),男(汉族),湖南怀化人,硕士研究生,研究方向为模拟集成电路设计。谢 亮(1983-),男(汉族),湖 南 郴 州 人,博 士,研 究 方 向 为 ASIC、A/D 转 换 器、红 外 传 感 器。通 讯 作 者,E-mail:xieliang@xtu.edu.cn。应用于SAR ADC的高能效电容开关转换方案曾华林,唐雨晴,谢 亮,金湘亮(湘潭大学 物理与光电工程学院,湖南 湘潭 411105;微光电与系统集成湖南省工程实验室,湖南 湘潭411105)摘 要: 针对逐次逼近型模数转换器,提出了一种新型高能效的电容开关转换方案。在前3个比较周期内,该新型电容开关不消耗转换功耗。从第4个比较周期开始,采用了拆分电容技术、单边双电平转换技术,使得一侧的电容只在2个参考电压Vcm与地之间进行切换,进一步节省了功耗。仿真结果表明,与传统电容阵列相比,该新型电容开关的转换功耗降低了99.23%,总电容面积减小了75%。微分非线性为0.162LSB,积分非线性为0.163LSB。关键词: 逐次逼近型模数转换器;高能效;转换方案中图分类号:TN79+2 文献标识码:A 文章编号:1004-3365(2018)04-0467-04DOI:10.13911/j.cnki.1004-3365.170433An Energy-Efficient Capacitor Switching Scheme Applied for SAR ADCZENG Hualin,TANG Yuqing,XIE Liang,JIN Xiangliang(School of Physics and Optoelectronics,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,P.R.China;Hunan Engineering Laboratory for Microelec.,Optoelec.and System on a Chip,Xiangtan,Hunan 411105,P.R.China)Abstract:  A new improved energy-efficient capacitor switching scheme was proposed for the successiveapproximation register analog-to-digital converter.The proposed switching scheme achieved no switching energyconsumption in the first three comparisons.Starting from the fourth comparison,the split-capacitor technology andthe one-side double-level switching technology were employed,so only one side of the capacitor had switchedbetween the two reference voltages Vcmand GND,which had further saved power consumption.The simulationresults showed that the proposed switching scheme achieved 99.23% reduction in switching energy and the totalcapacitance area was reduced by 75% compared with that of the traditional structured capacitor arrays.The DNLand the INL were 0.162LSB and 0.163LSB respectively.Key words: SAR ADC;energy-efficient;switching scheme0 引 言模数转换器(ADC)实 现 模拟信号到数字信号的转换,在信号处理系统中起至关重要的作用。随着便携式电子产品和可移动设备需求量的增加,降低功耗成为 ADC发展的主流趋势。逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)因结构简单、功耗低、面积小、易集成而逐步成为低功耗 ADC的研究热点。对于SAR ADC而言,功耗主要来源于 SAR 控制逻辑电路、比较 器 和 DAC 电容 阵 列。为降低电容阵列的功耗,国内外文献提出了许多高能效的电容开关转换方案[1-6]。文献[1]采用拆分电容技术,电容的转换能耗降低了37%。文献[2]采用单调转换方式,电容的转换能耗降低了81.2%。文献[3]基于共模电压Vcm进行开关电容转换。文献[4]利用曾华林等:应用于 SAR ADC的高能效电容开关转换方案 2018年布的独 立 随 机 变 量,标 准 差 取 1%,σ(ΔC/C)=0.01。通过 Matlab建立数学模型,对本文转换方案的10位SAR ADC进行了500次蒙特卡罗仿真,得到 DNL 和INL 的均方根值。DNL 和INL 的均方根值与输出数字码的关系曲线如图4所示。可以看出,DNL和INL的均方根最大值出现在(1/4)VFS和(3/4)VFS位置(VFS为 ADC 满量程电压),最大值分别为0.162LSB、0.163LSB。图4 DNL和INL的均方根值与输出数字码的关系曲线3 结 论本文提出了一种应用于SAR ADC的新型高能效电容开关转换方案。前3次比较周期内,电容阵列的转换不需要消耗能量。采用拆分电容技术、单边双电平技术,进一步降低了电容切换能耗。与传统结构相比,该电容开关转 换方 案中 ADC 的平均转换能 耗 下 降 了 99.23%,电 容 面 积 节 省 了 75%。该 ADC 的 DNL 与INL 分 别 为 0.162LSB、0.163LSB,线性度良好。参 考 文 献:[1] GINSBURG B P, CHANDRAKASAN A P.Anenergy-efficient charge recycling approach for a SARconverter with capacitive DAC [C]//IEEE Int SympCirc & Syst.Kobe,Japan.2005:184-187.[2] LIU C C,CHANG S J,HUANG G Y,et al.A 10-bit50-MS/s SAR ADC with a monotonic capacitorswitching procedure[J].IEEE J Sol Sta Circ,2010,45(4):731-740.[3] ZHU Y,CHAO C H,CHIO U F,et al.A 10-bit 100-MS/s reference-free SAR ADC in 90nm CMOS [J].IEEE J Sol Sta Circ,2010,45(6):1111-1121.[4] ZHU Z,XIAO Y,SONG X.VCM-based monotoniccapacitor switching scheme for SAR ADC [J].ElecLett,2013,49(5):327-329.[5] SANYAL A, SUN N. 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