一种高位拆分的高效SAR ADC开关策略

丁兰 于志宏

摘 要：逐次逼近型模数转换器（successive approximation register analog-digital converter，SAR ADC）的电容阵列在比较过程中开关切换所产生的功耗是SAR ADC电路的主要能耗来源之一。为了降低电容阵列（DAC）的功耗，本文提出一种应用于低采样率低功耗的逐次逼近型模数转换器的高效低功耗开关策略。该开关策略采用Vref，GND，0.5Vref（Vcm），025Vref为电路的参考基准源。通过将最高位电容拆分为与次高位电容值相同的两个并联电容，同时将最高位电容预先连接低电平GND，其余位电容连接Vcm，使得在前三次比较过程中开关切换产生的功耗为0。仿真结果表明，相比较于传统的电容阵列DAC结构，本文提出的高位拆分的高效DAC电容阵列结构可以降低99%的能耗，节省75%的面积。

关键词：逐次逼近;模数转换器;电容阵列;低功耗

随着生活水平的提高，各种可穿戴的便携式移动设备逐渐应用到生理健康数据的监测[1-2]。SAR ADC由于电路结构简单、适用于低采样率的场合的特点，而被广泛地应用到生物监测的芯片中[3-4]。SAR ADC将人体收集到的模拟信号转换成可发送的数字信号，并通过智能设备发送到医疗终端，最终实现对人体生理数据的监测[5]。SAR ADC由电容阵列、比较器和逐次逼近控制逻辑三个部分组成。其中电容阵列由于在比较过程中开关的切换，会造成较大的功耗。近年来，国内外提出了不少針对电容阵列结构功耗的优化的结构和方法，主要包括单调型[6]、共模型[7]、Tri-level[8]、VMS[9]、Hybrid[10]等结构。与传统的开关策略相比，他们分别可以降低比较过程中开关消耗的功耗81.2%、87.5%、96.89%、97.66%和98.83%。为了进一步降低比较过程中电容阵列的功耗，延长智能设备的使用寿命，本文提出一种新型的高效电容阵列结构，并给出相应的开关策略，最后对该结构和开关能耗进行了分析。

1 新型高效的电容阵列结构

图1为本文设计的全差分电容阵列结构。图中的1和2分别为差分电容阵列P端的最高位拆分电容和N端最高位拆分电容。其中1中P端的拆分电容CMP1和CMP2为电容值和次高位电容CPn-4电容值大小相等。同理，2中N端的拆分电容CMN1和CMN2为电容值和次高位电容CNn-4电容值大小相等。3和4分别P端和N端其余位电容。各个电容下极板根据控制逻辑SAR Logic给出的控制信号连接不同的电位，从而实现逐次逼近逻辑。

2 新型低功耗电容阵列的工作原理

本文所提的高效低功耗开关策略，将最高位拆分为两个和次高位电容值大小一样的并联电容。通过在初始阶段配置最高位电容阵列接GND，次高位电容阵列两端接Vcm。在前三次比较过程中可以降低电容两端电压切换的梯度，使得电压切换的梯度从Vref→GND变换为Vref→Vcm→GND，这样使得前三次比较过程中开关切换消耗的能量为0，而且也可以降低后续比较过程中开关切换所消耗的能量。

图2是本文所提的电容阵列结构和开关策略应用在5位SAR ADC的前三次比较过程开关切换和能量消耗示意图。在初始阶段，P端和N端的高位拆分电容的下极板接地，其余所有电容阵列的下极板皆参考电压Vcm。采样结束后，电容两端不进行电压切换，直接进行第一次比较，因此在第一次比较的过程中不消耗能量。在第二次比较过程中，为了减少开关切换过程中所消耗的能量，将第一次比较后电压低的一端的高位拆分电容接Vcm电压，将次高位电容阵列所接的Vcm电压升高到Vref，由于占1/2权重的电容阵列两端的电压分别发生方向和大小都相同电压偏移，因此在第二次转换过程中也不消耗能量，如公式（1）：

在第三次比较过程中，根据第二次的比较结果将电容阵列的两端进行电压的平移。由于本结构采用高位电容阵列拆分，因此可以充分利用最高位电容阵列的大小等于总电容大小一半的这个特性，在第三次比较过程中仅将电容阵列所接的电压值进行1/2电压的大小的平移。在第三次比较过程中，开关翻转消耗的能量依然为0，如A分支所消耗的能量为公式（2）：

同理，分支B、C、D、E、F、G、H在第三次比较过程中所消耗的能量都为0。由于对称，图2中的E、F、G、H分支的开关翻转和能量消耗与图3中的A、B、C、D一致，因此我们仅对A、B、C、D分支进行分析。在第四次比较过程中，将第三次比较结果电压高的一端的对应位电容阵列的所接的电压降低Vcm，在此过程中消耗的功耗如公式（3）所示：

同理其他分支开关切换产生的功耗在图中已经标出。在第五次比较过程中，根据第四次的比较结果，如果第四次比较结果是将Vcm→GND的操作，则在第五次比较过程中，将此电容的下极板接VcmL（0.25Vref）。如果第四次比较过程是进行Vref→Vcm的电压平移操作，则在第五次比较过程中将此位电容的下极板电压接VcmL。

3 新型低功耗电容阵列的能量分析对比

本文所提的高效低功耗的电容阵列结构，充分利用了高位拆分电容的容值权重为整个电容值的1/2这一个特性，结合高效的开关策略，利用Vcm和VcmL，两个参考电压，降低了比较过程中电容两端电压切换的梯度，从而降低了能量的消耗。在Matlab中对几种10位SAR ADC的开关方案进行了行为仿真，下表总结了具有不同开关方案的10位SAR ADC的开关能量、节能和面积缩减。其中，10位传统SAR ADC的平均开关能量为1363.30 CV2ref。本文所提的开关方案的平均开关能量为7.06 V2ref，这意味着开关能量减少了99.48%。同时，本文所提的电容阵列结构在面积上比传统型的电容阵列结构节省了75%。

图3形象显示了不同开关方案的每个输出代码的开关能量。从图中我们可以看出本文所提的电容阵列结构和开关策略可以明显地降低SAR ADC在比较过程中开关切换的功耗。

结语

本文提出了一种应用于SAR ADC的高效低功耗电容阵列和开关策略，使得SAR ADC在前三次比较过程中不消耗能量，与传统的电容阵列结构和开关时序相比降低了99.48%，面积减小了75%。该高效的电容阵列结构和开关策略可以有效地降低SAR ADC的整体功耗，适用于低功耗的植入式、便携式的电子设备。

参考文献：

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[10]Xie，L.，Wen，G.，Liu，J.，Wang，Y.‘Energy-efficient hybrid capacitor switching scheme for SAR ADC.Electron.Lett.，2014，50（1）：22-23.

項目：无锡科技职业学院2020年首批“双带头人”教师党支部书记工作室培育建设立项资助项目

作者简介：丁兰（1980— ），女，江苏无锡人，硕士，副教授，主要从事电子信息技术研究。