摘要：以SAR ADC为例，对单调开关转换方案进行分析，对其工作流程进行总结。用MATLAB软件对采用单调结构电容转换方案的10 位SAR ADC的电容转换能耗进行仿真，并推导出单调开关转换方案平均能耗的表达式。
关键词：单调开关转换；SAR ADC；能耗
1 引言
分段电容 SAR ADC 工作过程分为采样，保持和电荷重分配三个阶段[1]。转换过程中，DAC电容根据逻辑信号连接Vref或者GND，完成信号的二进制转换过程称为开关转换方案。
2 单调开关转换方案分析
图1为3位SAR ADC单调开关转换方案。该方案采用差分结构，具有抑制电源噪声、地噪声，消除偶次谐波干扰及共模干扰等优点[2]。
图1 3位SAR ADC的单调开关转换方案
在采样过程中，比较器正、反相输入端所连接的电容的上极板分别与模拟输入信号Vip和Vin相连，所有电容的下极板都连接到基准电平Vref。在采样结束后，采样开关断开，电容的连接状态不变，比较器直接进行第一次比较，这一过程能耗为0。
图2 采用单调开关转换方案的N位SAR ADC工作流程图
第一次比较完成后，电容状态控制电路会根据第一次比较的结果对电容阵列的连接状态进行相应的调整：比较器高电平一侧的最高位电容会由接Vref改接到地，其他电容连接状态保持不变。当电容阵列完成第一次转换后，比较器将进行第二次比较，同理，根据比较结果，比较器高电平一侧的次高位电容会由接Vref改接到地，其他电容保持上一连接状态不变，继续进行第三次比较，得到最低位数字码，整个转换过程到此结束。
对该方案中电容阵列的转换过程进行归纳和总结，得出如图2所示的SAR ADC工作流程图。采用单调结构电容转换方案的N位SAR ADC的电容阵列在整个转换过程中，只需进行N-1次转换，且每次转换只需要改变一个电容的连接状态即可，大大降低了能耗，并且简化了后续电容状态控制电路的设计。
3 仿真结果分析
用MATLAB软件对采用单调结构电容转换方案的10位SAR ADC的电容转换能耗进行仿真，不同的输出码对应的能耗如图3所示。其横坐标为输出代码，纵坐标是转换能耗。
图3 单调开关转换方案的能耗
当采用单调结构电容转换方案、精度为N位的SAR ADC的所有输出码被输出的概率都相等时，其电容转换平均能耗的表达式如下：
（4-1）
式中，N为SAR ADC的精度，C为单位电容，Vref为参考电平。
4 结论
相比传统结构电容转换方案，单调结构电容转换方案所需消耗的能量较低，且电容转换方式简单，简化了后续电容状态控制电路的设计。但是在采用单调开关转换方案时，为了防止因Vcm过低而导致的比较器出错，SAR ADC输入信号的摆幅就必须受到限制，这就在很大程度上影响了SAR ADC的精度和信噪比错误!未找到引用源。。
参考文献
[1]Razavi B.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M].McGraw-Hill,Inc.,2000.
[2]佟星元.纳米级CMOS逐次逼近A/D转换器设计研究与实现[D].西安电子科技大学,2011.
[3]范誉潇,王永禄,黄正波,等.一种10位120MS/s逐次逼近A/D转换器[J].微电子学,2016,46(2):155-158.
作者简介：顾宇晴(1992—)，女，陕西西安人，硕士研究生，助教，研究方向为模拟集成电路设计。
论文作者:顾宇晴
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月39期
论文发表时间:2019/8/30
标签：电容论文; 单调论文; 方案论文; 状态论文; 结构论文; 阵列论文; 过程论文; 《知识-力量》2019年10月39期论文;