一种非二进制高速逐次逼近型模数转换器
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Abstract: A non-binary high-speed Successive Approximation Register Analog to Digital Converter is designed with Global Foundry 22nm SOI technology。To improve conversion speed of ADC, a non-binary capacitor array is adopted in this work, reducing settling time requirements. Meanwhile an extra small unit capacitor is used to further increase the speed of conversion, and a foreground calibration algorithm is designed to calibrate the capacitor array. The measured results show a good function of capacitor calibration, and the ENOB is 9.8bit with 125MHz sampling rate and 25MHz input rate. This designed ADC consumes 3mA current with supply 0.8V and only occupies 0.04mm2 area. Key words: Non-binary Sampling; Successive Approximation; Capacitor Calibration Algorithm;
A Non-binary High-speed Successive Approximation Register Analog to Digital Converter
ZHAO Zhe, LUAN Chang-hai, LIU Yin （Beijing Huada Empyrean Software Co., Ltd, Bei jing 100102, China）
已发表的国内国际文献中涉及的逐次逼近模数 转换技术主要包括以下几个方面：
（1）无源电荷共享技术 采用无源电荷共享技术的逐次逼近模数转换 器[1-2] 完全工作在电荷模式，取代了传统 的工作在 电压模式的模数转换器。在逐次逼近过程，通过采 样 电 容 上 电 荷 的 增 加 或 减 少 来 进 行 逐 位 转 换 ，直 到电荷转换结果为零。除了在采样阶段，这种模数 转换器采用追踪电容提前追踪到输出信号，因此 可以有更长时间对输入信号进行获取，从而提高 了建立精度。 （2）非二进制电容阵列 电容型数模转换阵列是当代逐次逼近模数转换 器的重要组成部分。但电容型数模转换阵列需要较 长的建立时间才能达到需要的建立精度。因此电容 型模数转换器的速度受限与电容值的大小，及电容 阵列的转换精度。非二进制逐次逼近模数转器 [3-5] 采 用非二进制权重电容值，从而降低最高位的电容值， 用多余的冗余位弥补相较于传统二进制电容阵列的 容值缺失。在非二进制逐次逼近模转换器中，一个 输入电压可能对应多个输出码，因此可以允许特定 范围的数模转换阵列建立误差，从而提高模数转换 器的速度。 （3）时域交织技术 虽然工艺不断进步，但是由于结构本身决定，一
（4）异步时序控制 传统的逐次逼近模数转换器在每个转换周期只 转换 1 位的输出，对于一个 N 位的逐次逼近模数转 换器则至少需要 N+1 个转换周期（第一个用来采样 信号）。同时系统中，也会需要一个高输出频率的锁 相环来提供高质量时钟进行模数转换。采用异步控 制时序的逐次逼近型模数转换器[6，11] 可以通过逻辑 控制，自动检测转换结果，并切换到下一个转换周 期，不要外部提供同步时钟，从而提高模数转换器的 转换速度，降低系统的功耗面积消耗。 在已发表的论文中，还有一些技术可以提高逐 次逼近型模数转换的转换速度，降低功耗面积消耗， 例如混合型流水线逐次逼近模数转换器[7，13]，多位逼 近型模数转换器 [8] 等。本文基于以上技术，基于 Global Foundry 22nmSOI 工艺，设计了一款非二进 制，异步高速逐次逼近模数转换器，该模数转换器的 转换精度为 12bit，转换速度为 125MSPS。其实现方 法及测试结果如下所述。
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
一种非二进制高速逐次逼近型模数转换器
赵喆，栾昌海，刘寅 （北京华大九天软件有限公司，北京，100102）
摘要：本文采用 Gl o b a l F o u n d r y 2 2 n m 工艺袁设计了一款 1 2 位 1 2 5MHz 非二进制高速逐次逼近型模数转 换器遥 为了提高模数转换器的转换速度袁在设计中采用了非二进制电容阵列袁减小高位电容降低电容 DAC 对建立时间和建立精度的要求曰同时采用了 0. 26f 单位电容袁以进一步提高采样速度袁降低功耗曰 为了修正单位电容的匹配偏差袁采用了一种前台校准算法遥 经过流片验证袁校准算法能够实现电容校 准袁最终测试达到的有效位数为 9. 8 位袁功耗为 2 . 4 mW袁面积仅为 0. 04 mm2遥 关键字：非二进制采样曰逐次逼近曰校准算法曰模数转换器
个单独的逐次逼近型模数转器的转换速度仍然无法 与全并行架构模数转换器相比。采用时域交织技术 可以进一步提高逐次逼近型模数转换器的转换速 度。时域交织莫转换器的转换精度受限于通道之间 的匹配性，对于中高精度的应用场合，可以采用数字 校准算法或者后处理[5] 方式，来克服同道不匹配以 及时钟抖动等非理想性因素带来的影响。
Analog to Digital Converter
http：//
2019·5·（总第 240 期） 39
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
引言
传统的逐次逼近型（SAR ADC）模数转换器通 常采样速率在 MHz 范围，广泛应用在低速低功耗的 应用场合。在中高速应用场合中，更多采用全并行 模数转换器以及流水线模数转换器。在近些年，随 着工艺寸的不断减小，器件特征频率逐渐增加，以 及数字处理校准算法的大力发展，使得逐次逼近模 数转换器能够达到 10MHz 以上甚至 GHz 的采样速 率，同时采样精度也能够达到 5-12 位[1-13]。另外，逐 次逼近型模数转换器的低功耗，低成本的特点，使其 在低功耗应该场合相较于其他结构更有优势。
A Non-binary High-speed Successive Approximation Register Analog to Digital Converter
ZHAO Zhe, LUAN Chang-hai, LIU Yin （Beijing Huada Empyrean Software Co., Ltd, Bei jing 100102, China）
已发表的国内国际文献中涉及的逐次逼近模数 转换技术主要包括以下几个方面：
（1）无源电荷共享技术 采用无源电荷共享技术的逐次逼近模数转换 器[1-2] 完全工作在电荷模式，取代了传统 的工作在 电压模式的模数转换器。在逐次逼近过程，通过采 样 电 容 上 电 荷 的 增 加 或 减 少 来 进 行 逐 位 转 换 ，直 到电荷转换结果为零。除了在采样阶段，这种模数 转换器采用追踪电容提前追踪到输出信号，因此 可以有更长时间对输入信号进行获取，从而提高 了建立精度。 （2）非二进制电容阵列 电容型数模转换阵列是当代逐次逼近模数转换 器的重要组成部分。但电容型数模转换阵列需要较 长的建立时间才能达到需要的建立精度。因此电容 型模数转换器的速度受限与电容值的大小，及电容 阵列的转换精度。非二进制逐次逼近模数转器 [3-5] 采 用非二进制权重电容值，从而降低最高位的电容值， 用多余的冗余位弥补相较于传统二进制电容阵列的 容值缺失。在非二进制逐次逼近模转换器中，一个 输入电压可能对应多个输出码，因此可以允许特定 范围的数模转换阵列建立误差，从而提高模数转换 器的速度。 （3）时域交织技术 虽然工艺不断进步，但是由于结构本身决定，一
（4）异步时序控制 传统的逐次逼近模数转换器在每个转换周期只 转换 1 位的输出，对于一个 N 位的逐次逼近模数转 换器则至少需要 N+1 个转换周期（第一个用来采样 信号）。同时系统中，也会需要一个高输出频率的锁 相环来提供高质量时钟进行模数转换。采用异步控 制时序的逐次逼近型模数转换器[6，11] 可以通过逻辑 控制，自动检测转换结果，并切换到下一个转换周 期，不要外部提供同步时钟，从而提高模数转换器的 转换速度，降低系统的功耗面积消耗。 在已发表的论文中，还有一些技术可以提高逐 次逼近型模数转换的转换速度，降低功耗面积消耗， 例如混合型流水线逐次逼近模数转换器[7，13]，多位逼 近型模数转换器 [8] 等。本文基于以上技术，基于 Global Foundry 22nmSOI 工艺，设计了一款非二进 制，异步高速逐次逼近模数转换器，该模数转换器的 转换精度为 12bit，转换速度为 125MSPS。其实现方 法及测试结果如下所述。
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
一种非二进制高速逐次逼近型模数转换器
赵喆，栾昌海，刘寅 （北京华大九天软件有限公司，北京，100102）
摘要：本文采用 Gl o b a l F o u n d r y 2 2 n m 工艺袁设计了一款 1 2 位 1 2 5MHz 非二进制高速逐次逼近型模数转 换器遥 为了提高模数转换器的转换速度袁在设计中采用了非二进制电容阵列袁减小高位电容降低电容 DAC 对建立时间和建立精度的要求曰同时采用了 0. 26f 单位电容袁以进一步提高采样速度袁降低功耗曰 为了修正单位电容的匹配偏差袁采用了一种前台校准算法遥 经过流片验证袁校准算法能够实现电容校 准袁最终测试达到的有效位数为 9. 8 位袁功耗为 2 . 4 mW袁面积仅为 0. 04 mm2遥 关键字：非二进制采样曰逐次逼近曰校准算法曰模数转换器
个单独的逐次逼近型模数转器的转换速度仍然无法 与全并行架构模数转换器相比。采用时域交织技术 可以进一步提高逐次逼近型模数转换器的转换速 度。时域交织莫转换器的转换精度受限于通道之间 的匹配性，对于中高精度的应用场合，可以采用数字 校准算法或者后处理[5] 方式，来克服同道不匹配以 及时钟抖动等非理想性因素带来的影响。
Analog to Digital Converter
http：//
2019·5·（总第 240 期） 39
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
引言
传统的逐次逼近型（SAR ADC）模数转换器通 常采样速率在 MHz 范围，广泛应用在低速低功耗的 应用场合。在中高速应用场合中，更多采用全并行 模数转换器以及流水线模数转换器。在近些年，随 着工艺寸的不断减小，器件特征频率逐渐增加，以 及数字处理校准算法的大力发展，使得逐次逼近模 数转换器能够达到 10MHz 以上甚至 GHz 的采样速 率，同时采样精度也能够达到 5-12 位[1-13]。另外，逐 次逼近型模数转换器的低功耗，低成本的特点，使其 在低功耗应该场合相较于其他结构更有优势。