一種基于每周期兩位轉(zhuǎn)換的流水線逐次逼近ADC

作者 何沁 電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院(四川 成都 610054)

　　何沁(1993-)，女，碩士，研究方向：SOC/SIP系統(tǒng)芯片技術(shù)。

摘要：隨著半導(dǎo)體制造工藝的革新與芯片供電電壓的下降，高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的逐次逼近SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器與流水線Pipelined模數(shù)轉(zhuǎn)化器難以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化速率、高精度與低功耗的性能指標(biāo)，常常需要犧牲某個指標(biāo)來滿足其他要求。針對傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)在精度、轉(zhuǎn)換速率以及功耗方面的不足之處，提出了一種基于每周期兩位轉(zhuǎn)化的流水線逐次逼近12位5兆的ADC，采用兩級流水線結(jié)構(gòu)，第二級采用每周期兩位量化的SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，可以充分利用輸入電壓幅值較小的特點，實現(xiàn)整體電路性能的優(yōu)化，最終可在5兆的采樣速度下達到前仿11.63位的有效位數(shù)。

0 引言

　　近年來，計算機、通信和多媒體技術(shù)飛速發(fā)展，全球高新領(lǐng)域的數(shù)字化程度不斷加深，在許多電子系統(tǒng)中都需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器來將電壓、電流等模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼后再進行處理，以利用大規(guī)模數(shù)字集成電路強大的數(shù)據(jù)處理能力。

　　隨著半導(dǎo)體制造工藝的革新與芯片供電電壓的下降，高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。文獻[1]中表明傳統(tǒng)的逐次逼近SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器與流水線Pipelined模數(shù)轉(zhuǎn)化器難以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化速率、高精度和低功耗的性能指標(biāo)，常常需要犧牲某個指標(biāo)來滿足其他要求。

　　傳統(tǒng)的SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器由比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)化器和數(shù)字控制邏輯組成^[2]。數(shù)字控制邏輯根據(jù)比較器的輸出結(jié)果依次決定輸出編碼每一位的值。利用逐次逼近的二分算法方式每次轉(zhuǎn)化都需要N個量化周期，經(jīng)歷N次比較，其轉(zhuǎn)換速率受到了很大的限制^[3]。除此之外，傳統(tǒng)的SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器只利用了比較器輸出的電壓比較結(jié)果而忽略了比較器可以提供的其他信息，使得每次量化只能單位進行，這也嚴(yán)重限制了SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率^[4]。

　　傳統(tǒng)的流水線Pipelined模數(shù)轉(zhuǎn)化器屬于多級轉(zhuǎn)換器^[5]，每一級都有采樣保持電路，并有一個級間放大器對本級的量化余量進行放大，再輸出給后級作進一步的量化。采樣保持電路使得在一個周期內(nèi)只需每個流水線級分別完成量化與殘差放大，而無需整個轉(zhuǎn)換器一次性完成轉(zhuǎn)化，因此轉(zhuǎn)換速率不會隨著級數(shù)的增加而下降，但由于需要用到增益精確的級間放大器，整體功耗較大，特別是在低壓短溝道的先進工藝下，實現(xiàn)高增益的運算放大器用以設(shè)計增益穩(wěn)定的反饋網(wǎng)絡(luò)顯得更加困難^[6]。

　　針對傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)在精度、轉(zhuǎn)換速率以及功耗方面的不足之處，本文提出了一種基于電壓域與時域結(jié)合量化的流水線逐次逼近的12位5兆的ADC，采用兩級流水線結(jié)構(gòu)，第二級采用電壓域與時域結(jié)合量化的SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，可以充分利用輸入電壓幅值較小的特點，實現(xiàn)整體電路性能的優(yōu)化。

1 原理分析

　　為了實現(xiàn)ADC電路的整體性能提高，采用的基于電壓域與時域結(jié)合量化的流水線逐次逼近ADC包括第一級ADC、第二級ADC和級間單位增益緩沖器。

　　1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種具有創(chuàng)新性的整體系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，包括第一級傳統(tǒng)SAR ADC，第二級電壓域與時域結(jié)合量化SAR ADC和單位增益緩沖器，第一級SAR ADC的輸入端連接輸入信號，其第一級輸出端輸出ADC的高位量化結(jié)果，第二級輸出端輸出ADC 的低位量化結(jié)果，第一級量化結(jié)果和第二級量化結(jié)果作為最終輸出碼字依次編碼后得到最終量化結(jié)果。

　　第二級每周期兩位量化的SAR ADC如圖2所示，包括時域基準(zhǔn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電壓域基準(zhǔn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字邏輯控制模塊。時域基準(zhǔn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(圖2中201)包括第一比較器和N位的第一電容陣列，第一電容陣列上極板分別連接第一比較器的正負(fù)輸入端，電容下極板通過開關(guān)連接地電位、共模電位或基準(zhǔn)電位。電壓域基準(zhǔn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(圖2中202)包括第二比較器和N位的第二電容陣列，第二電容陣列上極板分別連接第二比較器的正負(fù)輸入端，電容下極板通過開關(guān)連接地電位、第二級ADC的輸入信號或基準(zhǔn)電壓。數(shù)字邏輯控制模塊的輸入連接第一比較器和第二比較器的輸出端，其輸出作為第二級ADC的量化結(jié)果輸出。

　　1.2 量化過程分析

　　如圖3所示的時序圖，本論文敘述的ADC通過兩級流水線的方式實現(xiàn)量化，每一級ADC為逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。第一級ADC按照傳統(tǒng)SAR的工作方式進行逐次逼近，每個周期量化1位，經(jīng)歷采樣、量化和緩沖保持的過程。第二級ADC利用電壓域與時域相結(jié)合的方式實現(xiàn)每個周期量化2位，提高了電路轉(zhuǎn)換的速率。第一級ADC和第二級ADC通過流水線的工作方式實現(xiàn)了在同時間內(nèi)的量化，提高了整體的轉(zhuǎn)換速率，本文中采用兩級SAR而不是整體流水線的實現(xiàn)方式，考慮到SAR模數(shù)轉(zhuǎn)化器的低功耗特性，這也會降低整個電路的功耗。輸入信號經(jīng)過第一級量化，信號的幅度在逐次逼近中不斷減小。與此相對應(yīng)的比較器的輸出延時隨著比較器輸入電壓幅值的減小而呈指數(shù)增大，而比較時間隨幅值的變化差異越大，比較的精度也越高。利用這樣一個特性，不需將第一級量化后的殘差電壓進行放大，只需級聯(lián)一個單位增益緩沖器將第一級的輸出電壓傳遞到第二級作為輸入電壓即可，這進一步降低了整體電路功耗以及提高了線性度。

　　本文中第一級ADC采用4位有效位數(shù)的模塑轉(zhuǎn)換器，而第二級ADC采用8位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)5兆的轉(zhuǎn)換率。值得說明的是，第二級ADC中電壓域基準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接方式與傳統(tǒng)SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接方式一致，而時域基準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最高位電容下極板始終接地電位，相應(yīng)的第三位、第五位、第七位電容下極板也始終接地電位，除此之外的其他電容下極板會通過開關(guān)分別連接基準(zhǔn)電壓、地電位和共模電位，這個數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是在量化過程中順序地提供1/4VREF、1/16VREF、1/32VREF、1/64VREF的電壓幅值。以第一次量化來具體說明，如圖4所示，第一比較器的每一位輸出結(jié)果包含兩位信息，一位是輸入電壓與參考電壓的比較結(jié)果，另外一位是與輸入電壓大小相關(guān)的輸出延時時間1。當(dāng)增加一個相同的第二比較器，輸入電壓差為每個周期的參考電壓的1/4時，第二比較器的輸出時間延時0就是每個比較周期的基準(zhǔn)時間。將該時間與第一比較器的延時時間1做比較可以判斷第一比較器的輸入電壓壓差與1/4VREF的大小關(guān)系，從而將每次量化分為4個區(qū)間，完成兩位的量化。

2 仿真驗證

　　通過對該ADC進行仿真，基于TSMC 65 nm工藝，通過Cadence軟件驗證。

　　圖5為輸入正弦信號時電路的輸出結(jié)果?？梢钥闯觯敵龅牧炕Y(jié)果呈現(xiàn)為階梯狀的正弦信號，與輸入信號的周期性大致相同。對輸出結(jié)果進行采樣取點再做FFT分析可得到如圖6所示的ADC整體性能，有效位數(shù)ENOB可達到11.63位，無雜散動態(tài)范圍SFDR可達到85.8 dB，信號噪聲失真比SNDR為72.8 dB。

　　表1為各個工藝角下電路的相關(guān)數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可見，ADC的有效位數(shù)在各個工藝角下都可以達到11位以上，最差的ss角下也為11.24位。

　　由仿真驗證可知，在各個工藝角下該ADC電路正常工作，可在5兆的采樣速度下實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能并且達到高于11位的有效位數(shù)。

3 結(jié)論

　　在TSMC工藝下，實現(xiàn)了一種基于電壓域與時域結(jié)合量化的流水線逐次逼近12位5兆的ADC的設(shè)計。由電路的仿真驗證結(jié)果可知，電路功能正常，符合設(shè)計目標(biāo)。該電路的在tt工藝角下可達到11.63位的有效位數(shù)。該電路采用TSMC工藝，可集成于芯片內(nèi)部，實現(xiàn)模擬信號對數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

　　參考文獻：

　　[1]Z. Cao, et al., “A 32 mW 1.25 GS/s 6b 2b/Step SAR ADC in 0.13 μm CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 3, pp. 862–873, Mar. 2009.

　　[2]H.Hong, et al., “26.7 A 2.6b/cycle-Architecture-Based 10b 1.7GS/s 15.4mW 4x-Time-Interleaved SAR ADC with a Multistep HardwareRetirement Technique,” IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 470–472, Feb. 2015.

　　[3]L. Kull et al., “A 3.1 mW 8b 1.2 GS/s single-channel asynchronous SAR ADC with alternate comparators for enhanced speed in 32 nm digital SOI CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 12, pp. 3049–3058,Dec. 2013.

　　[4]F.Ren,D. Markovic, “A configurable 12-to-237 KS/s 12.8 mW sparseapproximation engine for mobile ExG data aggregation,” in Proc. IEEE ISSCC, 2016, pp. 68–78.

　　[5]M.Trakimas, R. D. Angelo, S. Aeron, T. Hancock, and S. Sonkusale, “A compressed sensing analog-to-information converter with edge-triggered SAR ADC core,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 60, no. 5,pp. 1135–1148, May 2013.

　　[6]M. Saberi and R. Lotfi, “Segmented Architecture for Successive Approximation Analog-to-Digital Converters,” Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, IEEE Transactions on, vol. 22, no. 3, pp. 593–606,March 2014.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第55頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。