SARADC设计架构比较与必要说明.pdf

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10b-200ksps-SAR-ADC设计说明

一、目前项目的设计需求

目前项目属于COST-DOWN项目，所以电路面积是最主要的优化点，目前该ADC

的指标要求是10b-200Ksps，精度适中，速度比较低，关键是如何减小面积降低成本

且能保证10b的模数转换有效位。项目之前采用的SMICSARADCIP，需要外接电阻，

整体面积是0.17mm2，本次设计的主要目的是设计不需要外挂电阻的SARADC且整

体电路的面积小于0.17mm2。本项目中的SARADC针对的是单端应用，所以后续所

有的讨论只针对单端应用情况。

二、各种SARADC架构比较及选定

图1、单端SARADC基本架构

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图2、电阻分压型DAC结构

SARADC的基本架构如图1所示，该类型SARADC中的关键点是比较器的

OFFSET和DAC的线性度。比较器的失调对于所有类型的SARADC具有共性，最后统

一说明。

1、针对不同的DAC架构分别说明其线性度、面积等优缺点。

电阻分压实现DAC的传统架构：

如图2所示，该类型的由开关电阻阵列构成的电压按比例缩放D/A转换器，由于

抽头电压不可能低于下面的抽头，因此保持了很好的单调性。但是当D/A转换器的位

分辨率提高时，开关数和电阻数均呈指数上升，面积难以接受。而且，由于该DAC不

能采样保持输入电压，因此信号输入端需要专门的采样保持电路用于维持ADC转换期

间VIN电压的相对固定，这进一步增加了面积。此外，此类型的DAC转换精度依赖于

电阻的匹配精度，在芯片内部，电阻的匹配精度低于电容的匹配精度。综合以上因素，

该类型的DAC只适合应用于转换位数较小的SARADC中。

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图3、二进制电流型DAC结构

二进制电流型DAC架构

如图3所示，逐次逼近逻辑产生数字码控制电流源的开关，从而使得不同大小的

电流与输入端产生的电流做减法运算，从而得到比较器的输出串行码。该结构的DAC

受限于电阻、MOS管的匹配程度，而且随着位数的增加电流镜结构也会导致比较大的

功耗。在高精度的SARADC架构中不宜采用此类DAC。

图4、R-2R结构的电流型DAC结构

R-2R电流型DAC架构

如图4所示，最低位2R/2R并联后的到R，R+R与2R并联后又得到R，依次类推，

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当所有的电阻均接地时，Vref端看到的输入阻抗为R。开关S0~Sn-1控制接入比较器

的电流大小，该结构解决了电阻随位数呈指数增加的问题，但是电路中的开关会导致

电阻的匹配难度加大，此外，电流型运算放大器增加了该结构的设计难度，该结构同

样需要额外的采样保持电路。

图5、电荷型DAC结构

电荷型DAC架构

如图5所示，电荷型也叫电容型DAC，该结构基于开关电容阵列，配合时序设计，

运用电荷守恒的原理，实现电荷再分配而得到一个模拟电平。在SARADC具体实现的

时候，往往把信号采样和电容DAC放在一起设计，这样既实现了采样又实现了DAC，

即在同一个电容阵列上面完成采样和DAC输出的数学运算。该结构采用全电容设计，

在片上容