基于CMOS工艺的1O位逐次逼近型模数转换器设计分析
第 l9卷 第 4期
2006年 12月
盐城工学 院学报 (自然科学版 )
Journal of Yancheng Institute of Technology(Natural Science)
Vo1．19 No．4
Dee．2006
基 于 CMOS工艺的 1O位逐次逼近型模数转换器 设计分析
季红 兵
(南通大学 电子信息学 院 ，江苏 南通 226007)
摘 要 ：逐 次逼近型模数转换器由于性能折衷而得到 了广泛的应用。其 中，比较器和数模 转
换器的精度和速度极大地限制 了整个 系统的性能。因此，具有失配校准功能的 比较器是逐次
逼近型模数转换器的关键。设计了 10bit逐次逼近型模数转换器中的比较 器，对比较器的 电
路结构和工作原理有较详细的论述。
关键词 ：逐次逼近型模数转换器，比较器，数模转换 器
中图分类号 ：TN792 文献标识码 ：A 文章编号 ：1671—5322(20O6)04—0042—04
由于大规模超大规模集成电路的迅速发展及
数字信号传送和处理越来越 明显优 越于模拟信
号 ，数字信息处理设备得到了更广泛的应用 ，作为
数字信号和模拟信号的接 口的 AD转换器就成为
各种数字系统中不 可缺少的重要组成部分 ，其性
能直接影响到整个系统的性能。所以国家高技术
发展计划将高性 能模数转换器作为一个研究方向
来进行立项 ，而流水线型 AI)C是一种在中等规模
芯片面积的前提下能同时满足高速和高精度的一
种常用结构。
模拟数字转换器的用途非常广泛，最常见的
是应用在数字式仪表 、遥测装置、过程控制和调
节、数字 电话 、数码相机 、数字示波器、瞬态信号测
试 、视频 图像采集、扫描仪等领域。而且 ADC在
一 些常常被认 为是纯数字 的领域 中也 得到 了应
用。比如数据 的存储 。随着磁盘存储 密度 的增
加 ，只读 电路处理的信号 已经越来越呈现模拟信
号的特性 ，对模数转换器的研究也越来越广泛。
l 数转换器 的各种结构及研究现状?
A／D转换器 主要有 快闪型、逐 次逼近型、流
水线型、∑ 一△型模数转换器等类型。
快闪型 A／D转换器 (flash ADC)的主要优点
是速度快 ，通常可以达到 GHz量级。但是由于电
路中比较器的数量太大(2 个)，为了减少 比较器
的个数 ，一般不超过 8bit。因此具有精度不高 ，功
耗大 ，成本高等缺点 。
流水线型 A／D转换器(pipeline ADC)是模数
转换器 中性能比较好 的一种方案 。它的速度可以
达到几十至上百 MHz，精度可以达到 10bit以上。
是用得 比较广泛的一种模数转换器。
∑ 一△型 A／D转换器 (∑一A ADC)的主要
优点是精度高，最 高可 以达到 24bit，这也是现在
ADC可以达到的最高精 度。但是它的转换速度
比较低 ，通常在几十至几百 kHz，最高在几 MHz。
逐次逼近型 A／D转换器(successive—approx—
imafion ADC或 SAR ADC)的性能比较折衷，也是
广泛采用 的一 种模 数转换 器。一般精 度在 8—
16bit，速度在几 MHz数量级，并且具有低功耗、省
芯片面积的特点。逐次逼近型 A／D转 换器是采
样速率低于 5Msps的中等至高分辨率应用 的常见
结构 。逐次逼近型 A／D转 换器实质上是实现一
种二进制搜索算法 。所以，当内部 电路运行在数
兆赫兹时 ，由于逐次逼近算法 的缘故 ，ADC采样
速率仅是该数值的几 分之一。SAR ADC的一个
· 收稿 日期 ：2006—09—27
作者简 介 ：季红兵 (1966一)，男 ，江苏南通 市人 ，南通大学 电子信 息学院教师 ，东南大学 lC学 院在职硕士研 究生 ，
主要研究方 向为集成电路设 计与分析。
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第 4期 季红兵 ：基于 CMOS工艺的 l0位逐次 逼近型模数转换器设计 分析
特点是 ：功率损耗随采样速率而改变 ，这一点与快
闪 ADC或流水线 ADC不同，后者在不 同的采样
速率下具有固定的功耗。这对于低功耗应用或者
不需要连续采集数据的应用非常有利。
2 逐次逼 近 型模 数转 换器 的结构 及 工作
原 理
模拟输入
数字
输 出
图 1 SAR ADC的典型结构
Fig．1 Thetypical structure ofSAR ADC
SAR ADC主 要 由采 样／保 持 电 路 (Track／
Hold)、比较器(Comparator)、数模转换器(DAC)、
寄存器 (Register)、逐次 比较逻辑 (SAR Logic)等
模块构成。
在进行一个模拟数据的转换时，首先 由采样
保持 电路对模拟输 入进行采样 ，并保持在 比较器
的一端。在比较的第一个周期 中 ，将 寄存器中的
最高位置 1，其它位置 0，通过 DAC模块进行数模
转换后再和采样的模拟量比较 。如果模拟量大于
数字量的数模转换值则在寄存器中的最高位值确
定为 1，反之则确定为 0。在 比较的第二个周期 中
最高位已经确定 ，将寄存器中的次高位置 1，其它
低位置 0，经过数模转换后和模拟量 比较 ，从而得
到次高位的值 ，以后各位依此方法确定各 自的值，
直到最后一位确定后再将 寄存器 中的数据输出。
寄存器置数操作由逐次比较逻辑模块控制。
VRHF
Ana／og 口
VRLF
图 2 SAR ADC典型 比较 时序
Fig．2 Th e typical compar~g sequence of SAR ADC
实际上许多 SAR ADC的结构和 比较时序和
上述的典型结构和时序有一些不 同。DAC模块
可以采用电容电荷分配式结构 ，这样采样／保持电
路可以内置在 DAC模块 中。模拟输入和数字量
数模转换后数据的比较不一定需要在比较器的两
端进行 ，正如这次设计中所采用的电路 ，可以提供
较高的共模抑制作用。数字量 的输出也可以采用
串行输出的方式。在 SAR ADC的比较时序 中也
有一些不同的方案。正如设计中的转换器安排了
补偿位 ，从而提高了转换的速度和精度。
3 SAR ADC性能分析
在 SAR ADC中；比较器和数模转换器是比较
重要的模块 。这体现在速度、精度和功耗三个方
r ●
面 。
由于 SAR ADC采用逐位比较的方法 ，转换时
间相对于快 闪型和流水线 型 ADC来说 比较长。
除算法的限制外，模数转换器的速度主 要受 以下
几个 因素的影响：
(1)DAC的建立时间。其 中主要是 DA高位
数据的建立时间。
(2)比较器 比较出输入端数据的时间。
(3)逻辑电路工作的时间。
模数转换器的精度主要受以下三个方面的限
制 ：
(1)D／A转换器的精度。
(2)l比较器的精度。比较器必须具有和系统
同样的精度(±0．5LSB)。
(3)采样／保持 电路的精度。
在模数转换器的功耗方面 ，由于其它模块大
都是数字电路 ，对功耗的影响不大，所以系统功耗
主要受制于 DAC和_比较器部分 。因此，数模转换
器和比较器的性能直接决定着 SAR ADC的性能，
是整个系统中比较关键 的模块。
．
●
● ． ●
4 比较器 电路设计 Jl
为了克服共模噪声 ，电路 中采用差分形式。
比较器的两个输入 节点为 ⅥN和 VINR，在 VIN
节点上进行模 拟输入信 号 ANAIN和 DA输出值
的逐次比较 ；在 VINR节点上 同时按相 同时序和
操作进行模拟输入共模信号 ANAIND和 DA输 出
共模信号 DAR的处理。这样在 VIN端操作 的信
号是正常的 比较信号，而在 VINR端提供 ~1N信
号的共模噪声信号 ，可以提供 比较高的共模抑制。
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· 44· 盐城工学院学报(自然科学版 ) 第 l9卷
图 3 比较器 电路
．
3 The circuitry of comparator
W3在 Pl、P4相位 中为电容 的下极板充 电，提供 有 良好 的线性 ，其中的负载管要求工作在深线性
比较器的直流工作点。 区 ，这样 W4的 电压值 比较大。在第一级放大器
本 比较器 电路采用三级 ：预放大级、中间放大 和中间放大级放大器中，由于受到摆幅的限制 ，输
级和末级 Latch。前 两级放 大器 为 Latch提供可 出的电压值比较小，不超过被动箝位 PMOS管 的
识别的电位差，Latch在时序控制下为寄存器提供 域值电压。这样第一级放大器和中间放大器的负
数字信号。 载管也工作在线性区。因此 比较器放大倍数不会
预放大级和中间放大级的结构相似 ，所不 同 很高，但就放大功能已经足够把一个 LSB的电压
的是预放大级有用于失配校准 的负载管而中间放 差放大到 Latch可以识别的范围。
大级没有。
在预放大级中 PM2管作为电流源 ，输 人差分
对管是 PMOS管 PM4和 PM5，负载管是 NMOS管
NM2和 NM4，NM3和 NM5也是预放大级 的负载
管 ，作用是提供失配校准。第一级放大级 的输 出
信号是 Al和 A2。NMOS管 NM12由其栅上电压
W2控制通 断，功能是主动箝位 (Active ClaIIlp)，
在 W2为高电平时将 Al和 A2导通 ，这样在下一
次进行 比较时可 以提高速度 ，并且避免受 前一次
比较结果影响而产生错误。PMOS管 PM10的栅
级接地 ，功能是 被动箝位 (Passive Clamp)，限制
A1和 A2的摆幅 ，提高速度。当 A1或 A2中任一
个信号超过箝位管 PM10的域值 电压时 ，PM10管
导通 ，使 Al和 A2回复到较低 的电位 ，从而使摆
幅减小。 ．
PMOS管 PM1和 NMOS管 NM4‘组成 电流镜
基准电流源电路。在这个 电路 中第一级放大器 、
中间放大器以及电容补偿电路中的负载管都是由
W4信号提供偏置。 由于在 电容补偿 电路 中需要
I∞
¨岫
I∞
I∞
∞
40
2O
0
t／
图 4 NM16、NM17管栅压波形
Fig．4 Th e gate voltage waves ofNM 16 and NM 17
图4为 NMl6、NM17电容上电压变化的波形
图。由于比较结果为 固定 的 0或 1，电容持续充
电或持续放电，影响通过校准管的电流。
图 5是失配校准后 NM16、NM17电容上电压
的变化情况。可以看出由于电容上的电压充放电
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图 5 校准完成后的波形
Fig．5 The calibrated com plete wsves
参考文献：
[1]Behzed Bazavi，
[2]Donald J，Sauer
Patent Number：
的次数相等 ，维持在某个 电平上。
5 结论
模数转换器是模拟电路领域中相当重要的课
题 ，其中的逐次逼近型模 数转换器 由于其性能 比
较折衷而得到广泛运用。
本文主要在分析 SAR ADC基本结构和工作
原理的基础上完成 比较器的设计工作 。同时运用
HSpice模拟仿真获得了良好的效果。
Design and Analysis of An 10一bit Successive Approximation
ADC Based on CM oS Technics
JI Hong—bing
(Electronic Communication College，Nantong University，Jiangsu Nantong 226007，China)
Abstract：The successive—approximation analog—to—digital conveneriswidely used because ofits eclectic capabilities．Inthis
kind of eonve~er，the speed and precision of comparator and digital—to—analog converter greatly affe~the d m鲫Ice ofthe
whole system． Therefore，the design ofcem parator with offset can cellation technology is the key to the SAB ADC．A comparator
used in a 10一hit SAR ADC is design ed an d presented in this paper．Th e author describes the architecture ofthis comparator in
detail．
Keywords：successive—approximation ADC；comparator；digital—to—analog converter
弼淄 螂瑚螂澎 崩 ∞ m ●-二●L●¨●¨●L●-二●L●-二●L
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