8位 SAR ADC设计说明书.docx

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8位SARADC设计说明书

图目录

表目录

8位SARADC

1关键名词解释

12位ADC的文档中已述

2功能概述

图2.1系统结构

ADC2子系统包括一个8通道的可配置模拟多路开关（AMUX2），一个可编程增益放大器（PGA2）和一个500ksps、8位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，该ADC中集成了跟踪保持电路。

AMUX2、PGA2及数据转换方式都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。

只有当ADC2控制寄存器（ADC2_CN）中的AD2EN位被置‘1’时ADC2子系统（8位ADC、跟踪保持器和PGA）才被使能。

当AD2EN位为‘0’时，ADC2子系统处于低功耗关断方式。

ADC2有8个通道用于测量，用寄存器MUX_2SL选择通道。

PGA对AMUX输出信号的放大倍数由ADC2配置寄存器ADC2_CF中的AMP2GN2-0确定。

PGA增益可以用软件编程为0.5、1、2、4，复位时的默认增益为0.5。

接口信号说明

●输入信号列表

序号

信号名

来源

含义

备注

P_IN1

启动方式选择信号（为0，选择P_IN2；为1，选择P_IN3）

P_IN2

四种内部触发启动方式之一

P_IN3

外部上升沿启动

P_IN4

ADCCN6，即低功耗方式选择位（为0，连续跟踪；为1，低功耗方式）

P_IN5

差分方式标志位，（为1，差分；为0，单端）

P_IN6

复位信号（为1，复位整个数字部分）

P_IN7

使能信号（与P_IN6同等地位，为0时，复位整个数字部分）

P_IN8

G2控制放大2倍

P_IN9

G4控制放大4倍

P_IN10

与通道控制相关的信号

P_IN11

P_IN10的反信号

P_IN12

ADC的系统时钟和分频时钟的选择信号（为1，选P_IN13；为0，选系统时钟）

P_IN13

系统分频之后的时钟

P_IN14

G1控制放大1倍

P_IN15

G0.5控制放大0.5倍

P_IN16

com_out比较器的输出

P_IN17

内部连接信号，与比较器相关

P_IN19

在本模块中没有用到

CP1

系统时钟

●输出信号列表

序号

信号名

去向

含义

备注

P_OUT1

与开始启动转换标志有关

P_OUT2

与开始启动转换标志有关

P_OUT3

ADC数据寄存器第0位

P_OUT4

ADC数据寄存器第1位

P_OUT5

ADC数据寄存器第2位

P_OUT6

ADC数据寄存器第3位

P_OUT7

ADC数据寄存器第4位

P_OUT8

ADC数据寄存器第5位

P_OUT9

ADC数据寄存器第6位

P_OUT10

ADC数据寄存器第7位

3工作原理及电路性能分析

3.1数字部分

控制逻辑比较简单，主要总结控制逻辑的主要特点

1）要注意移位寄存器的第一位逻辑。

开始比较时，SAR的第一位被置为1，随后又被置为0，移位寄存器在工作时只有一位为1，要求在移位寄存器第一个触发器输出Q端和输入D端有反馈逻辑。

2）当移位寄存器移位到使比较完成时，它的下一位会发出完成信号，告知数据寄存器，使所有以前完成比较的位一起输出。

同时，在一次转换结束后，也会告知采样信号，可以进行下一次采样。

3）双端差分输入和单端输入决定译码的最高位，通道配置寄存器提供通道配置信号，与ADC的最高位形成判决逻辑。

4）移位寄存器，数据存储寄存器的复位信号也很重要，它与ADC的启动有关。

3.2模拟部分

3.2.1关于采样精度和采样时间

SAR时钟频率为6MHz，因此比较器的延时应在170ns以内，基准电压2.4v，比较器的分辨率为1/2LSB=4.6875mv。

为此，每一级比较器的输出端都加了限摆幅的反馈电路。

采样的建立时间要求由下式给出：

SA是建立精度，用一个LSB的分数表示（例如，建立精度0.25对应1/4LSB）。

t为所需要的建立时间，以秒为单位。

RTOTAL为ADC2模拟开关电阻与外部信号源电阻之和。

n为ADC的分辨率，用比特表示，对8位ADC，n=8。

3.2.2比较器

图3.1采样期间的第一级比较器的结构图

Vin2端接共模电平，折叠点的nMOS电流源由Vin2端对应的输出P_OUT25偏置。

采样结束时反馈s1开关稍微先于采样开关s2和s3断开，中间开关s4在s2和s3断开之后立即导通。

图3.28位ADC的比较器的结构图

图3.2是8位ADC中比较期间用到的三级比较器，后接一个锁存器和RS触发器。

注意第一级是全差分结构，第二级和第三级不是，因为它们的nMOS输入管的源极接地，没有共用一个电流源。

实际电路中各支路的偏置电流分别设为（I为1个电流单位）M4管8I；M12管7.5I；M7管4I；M8管4I。

例如：

第一级的输出端p_out25和p_out24，分别接了MF1、MF2、MF3、MF4。

这四个管子的工作过程如下：

1）当Vin1与Vin2之差在运放发生转换的电压范围

之内时，会造成M1管和M2管流过的电流失衡。

设输入电压使流过M1管的电流为3.5I，M2管的电流为4.5I，为符合基尔霍夫电流定律，流过MF2的电流为I，MF1没有电流，对应的P_OUT24降到MF1管的阈值电压以下。

第一级的输出电压由MF1管和MF2管的Vgs设定。

这时，MF3和MF4的Vgs都小于Vth，都关断。

2）当Vin1与Vin2之差大于转换电压时，M1和M2一个饱和，一个截止。

例如，Vin2远小于Vin1，M1截止，8I的电流全部流过M2管，此时流过MF2管的电流最大为4.5I，P_OUT25-P_OUT24的差值足以大于MF4管的Vgs，则MF4管有电流流过，使P_OUT24的电压稍微升高，减小P_OUT25-P_OUT24的差值。

升高的幅度取决于MF3和MF4的宽长比。

模拟结果也说明了这一点。

附：

a）当vin相差较大时，有钳位二极管的情况：

P_OUT24=0.872v,P_OUT25=0.0748v

b）当vin相差较大时，没有钳位二极管的情况：

X24=0.95v,x25=0.048v

c）当vin相差较小时，有钳位二极管的情况：

P_OUT24=0.687v,P_OUT25=0.707v

d）当vin相差较小时，没有钳位二极管的情况：

X24=0.687v,x25=0.707v

图3.3ss情况下比较器的仿真结果分析

如图3.3所示，net041和net078为比较器的两个输入端，相差0.462v，第一级比较器的输出端P_OUT24和P_OUT25相差很大，DAC电压是在2.01u时才加进去的，这样比较器的延时为2.061u-2.01u=51ns。

图3.4ss情况下比较器的仿真结果分析

在比较器两端相差7.2mv时，延时明显增加，第一级的两个输出端电压相差56mv左右，反馈的MF1、MF2都打开，MF3、MF4关闭，流过的电流之差就是输入管流过的电流之差。

3.2.3可变增益结构

如图3.5所示，比较器的一个输入端为vp，其输出端为vp_out；另一个为vn，其输出端为vn_out。

采样时，开关S1闭合，vp_out连接到它的输入端vp；S2闭合，vn_out连接到底下的折叠pmos的栅极，作为偏置电压，为比较器提供电流源，而vn则接上vcm，这样形成单位负反馈，输入端vp的电压跟随vcm，失调电压存储在采样电容Cs1上。

图3.5带采样保持电路的第一级

采样结束后，S1先断开，S2随后断开，接着clk变为低电平，即Vs1和Vs2的传输门断开。

此时，控制Mn和Mp的信号将会打开Mn和Mp，DAC电压接入，这时将会发生电荷转移，此时的等效电路如下。

例如：

（a）（b）

图3.6（a）Mn和Mp未开；（b）Mn和Mp导通，DAC电压接入时的情况

（a）（b）

图3.7（a）比较器Vp端的输入（b）比较器Vn端的输入

在实际的电路中，为了方便推导理解，将Vs2和Vn之间接的电容等效为电容C，Vs1与Vp之间和Data<0>~Data<7>与Vp之间接的电容也可以等效为电容C，如图3.7示Vp和Vn各有四个相同的此种输入结构的电容，根据控制信号的不同，它们有不同的输入状态。

设Cs1=nC，Cs2=nC,即Vs1和Vs2都只接入两块电容时，Mn和Mp导通后，由于有接地电容，存在电荷重分配，电容上的电荷转移情况假设如下：

图3.8电荷转移图

易解得

电容Cd上的电压变化量为

则

接上DAC电压后，设接入的DAC电容为Cd’，的有

此时比较器的另一端固定为Vcm.

可见，增益取决于

与

之比，通过逻辑控制，会得到n=2或4，

等于4C，2C，C三种情况，则可以组合出增益为4、2、1、0.5四种情况。

例如,当增益为1时，比较器的一端的电压为Vcm，另一端的电压由下式给出：

3.2.3模拟部分仿真结果

增益Gain=1时比较器一端的电压由下式给出：

表3.1Gain=1时的仿真结果

工艺角

理论值（采样后,v）

0.8526

理论值（Vdac后,v）

1.1562

仿真值（v）

1.1641

1.1656

1.1664

误差（mv）

8.9

9.6

10.2

tdelay

75n

70n

68n

com_out

Idiss

条件：

（Cs=2.56p,采样时间700ns）

Gain=0.5时比较器的一端电压由下式给出：

表3.2Gain=0.5时的仿真结果

工艺角

理论值（采样后,v）

0.2563

理论值（Vdac后,v）

1.1543

仿真值（v）

1.1482

1.1446

1.1654

误差（mv）

6.1

9.7

11.1

com_out

Idiss

条件：

（Cs=2.56p,采样时间700ns）

Gain=2比较器的一端电压由下式给出：

表3.3Gain=2时的仿真结果

工艺角

理论值（采样后,v）

0.4682

理论值（Vdac后,v）

1.1623

仿真值（v）

1.1529

1.1563

1.1602

误差（mv）

9.4

6.0

2.1

tdelay

127n

95n

72n

com_out

Idiss

条件：

（Cs=2.56p,采样时间700ns）

Gain=4比较器的一端电压由下式给出：

表3.4Gain=4时的仿真结果

工艺角

理论值（采样后,v）

0.6548

理论值（Vdac后,v）

1.1824

仿真值（v）

1.1795

1.1896

1.1802

误差（mv）

2.9

7.2

2.2

tdelay

32n

com_out

Idiss

条件：

（Cs=2.56p,采样时间700ns）

此时，比较器的一端电压为Vcm=1.151v，另一端电压对应不同的Gain有相应的值。

仿真过程中发现，误差来自如下：

1）加入DAC电压后，误差主要来自有效的8位二进制数所占的权重。

权重越大，所带入的误差越大，这是因为，权重大的位系数要大一些。

2）缩放电容不是严格按照（16/15）U倍单位电容的比例来仿真的，而直接用的是单位电容，这主要是考虑到版图的限制。

因为所有的电容都是按照单位电容和匹配的原则绘制出来的，若专为两个理论上应该是（16/15）U的电容而修改版图，将会影响匹配和布局，从理论上讲，U和（16/15）U的电容的误差是（1/15）U，这也不是太大，多以就没有修改。

3）技术文档中给出的采样电容是5p，限于工艺库文件，按照原照片的面积和原工艺，仿真时用到的采样电容是2.56p左右，实际新工艺版图提出来的电容是3.33pf左右。

4验证结果分析

4.1TT25℃的仿真结果

图4.1TT25℃，差分输入负电压情况下

图4.2TT25℃，差分输入正电压情况下

图4.3TT25℃，单端输入情况下

将以上曲线的结果汇于表4.1中：

表4.1TT25仿真结果参数

参数

积分非线性

±1LSB

微分非线性

±1LSB

偏移误差

0LSB

满度误差

负向,（1LSB）；正向,（0LSB）

测量条件：

AVDD=3v，AVREF=2.4v，PGA=1，TT，25

4.2SS85℃的仿真结果

图4.4SS2.7v85℃，双端输入负电压

图4.5SS2.7v85℃，双端输入正电压

图4.6SS2.7v85℃，单端输入正电压

将以上曲线的结果汇于下表中，如表4.2所示：

表4.2SS85℃仿真结果参数

参数

积分非线性

±1LSB

微分非线性

±1LSB

偏移误差

-1LSB

满度误差

负向,（1LSB）；正向,（0LSB）

测量条件：

AVDD=2.7v，AVREF=2.4v，PGA=1，SS，85

4.3SS125℃的仿真结果

图4.7SS2.7v125℃，双端输入负电压

图4.8SS2.7v125℃，双端输入正电压

图4.9SS2.7v125℃，单端输入

将以上曲线的结果汇于下表中，如表4.3所示：

表4.3SS125℃仿真结果参数

参数

积分非线性

±1LSB

微分非线性

±1LSB

偏移误差

-1LSB

满度误差

负向,（-1LSB）；正向,（1LSB）

测量条件：

AVDD=2.7v，AVREF=2.4v，PGA=1，SS，125

4.4FF-55℃的仿真结果

图4.10FF3.6v-55℃，双端输入负电压

图4.11FF3.6v-55℃，双端输入正电压

图4.12FF3.6v-55℃，单端输入正电压

将以上曲线的结果汇于下表中，如表4.4所示：

表4.4FF-55℃仿真结果参数

参数

积分非线性

±2LSB

微分非线性

±2LSB

偏移误差

1LSB

满度误差

负向,（-2LSB）；正向,（0LSB）

测量条件：

AVDD=3.6v，AVREF=2.4v，PGA=1，FF，-55

4.5FF-40℃的仿真结果

图4.13FF3.6v-40℃，双端输入负电压

图4.14FF3.6v-40℃，双端输入正电压

图4.15FF3.6v-40℃，单端输入正电压

将以上曲线的结果汇于下表中，如表4.5所示：

表4.5FF-40℃仿真结果参数

参数

积分非线性

±1LSB

微分非线性

±1LSB

偏移误差

-1LSB

满度误差

负向,（1LSB）；正向,（0LSB）

测量条件：

AVDD=3.6v，AVREF=2.4v，PGA=1，FF，-40

4.6总体电气特性表

表4.6原手册结果

表4.7仿真结果汇总

参数

备注

单位

静态参数

分辨率

位

积分非线性

±1

LSB

微分非线性

±1

LSB

偏移误差

-1~1（1252，-552）

LSB

满度误差

负向（-1~1）；正向,（-1~1）

LSB

偏移温度系数

动态参数（10kHz正弦波输入，满度值的0到-1dB，100ksps）

信号噪声失真比

总谐波失真

到5次谐波

有效动态范围

转换速率

SAR时钟频率

转换时间

8个SAR时钟

周期

跟踪时间

0.8

μS

转换速率

500

ksps

模拟输入

电压转换范围

0~2.4

*共模电压范围

输入电容

一端的采样电容

2.56（cdl）

3.33（spf）

电源指标

-40℃3.6v

25℃3v

85℃2.7v

总体功耗

包括偏置电路

2.13

2.2

2.579

电源抑制

测量条件：

AVDD=2.7or3vor3.6v，AVREF=2.4v，PGA=1，-40℃~85℃

4.7仿真环境说明

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