【《逐次逼近模数转换器分析案例》2400字】

逐次逼近模数转换器分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18222逐次逼近模数转换器分析案例 1314871.1引言 128361.2逐次逼近模数转换器工作机制介绍 220281.3逐次逼近模数转换器的发展趋势 41.1引言逐次逼近模数转换器的结构由贝尔电话实验室(BellTelephoneLaboratories)的J.C.Schelleng在1946发表的专利一篇中首次提出，而逐次逼近模数转换器成功被大规模生产并进入市场是在1970年左右，当时的美国国家半导体公司(NationalSemiconductor,NS)和美国超微半导体公司(AdvancedMicroDevices,AMD)率先推出了各自的逐次逼近模数转换器芯片。如今，逐次逼近模数转换器依旧是工业界与学术界的研究热点[9]。在工业界，诸多大型半导体公司，如德州仪器(TexasInstruments,TI)，亚德诺半导体(AnalogDevices,Inc.,ADI)等，都专门设有针对模数转换器的研究设计部门，不断推出性能更高的逐次逼近模数转换器芯片。在学术界，国际固态电路会议(IEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference,ISSCC)和超大规模集成电路研讨会(IEEESymposiaonVLSITechnologyandCircuits,VLSI)是半导体集成电路研究领域的两大顶尖会议，通过整理逐次逼近模数转换器在这两大会议中的占比，可以推测出其近年来的发展趋势，如图3-1逐次逼近模数转换器发展趋势图所示。图3-1逐次逼近模数转换器发展趋势Figure3-1DevelopmentTendencyofSARADC从图3-1中可以看出，随着时间推移，逐次逼近模数转换器的文章数量在两大会议中均有上升，同时占总模数转换器文章数量的比值也不断提升。以2019年为例，ISSCC共收录了17篇关于模数转换器的文章，其中10篇是关于逐次逼近模数转换器的研究，VLSI则收录了11篇关于模数转换器的文章，逐次逼近模数转换器占其中7篇。在两大顶尖会议中，针对逐次逼近模数转换器的研究均超过了模数转换器研究总量的50%，可以看出，逐次逼近模数转换器是近年来的研究热点。本章节将会详细讲解逐次逼近模数转换器的工作机制，并介绍近几年逐次逼近模数转换器的发展趋势。1.2逐次逼近模数转换器工作机制介绍随着集成电路不断发展，逐次逼近模数转换器的结构也在不断变化与迭代，但其基本的工作原理大同小异，即在输入的模拟信号经过采样保持后，通过数字控制电路控制数模转换器输出参考信号与其比较，并根据比较结果修改参考信号，以二进制搜索算法的原理使参考信号不断逼近输入信号，具体流程如图3-2逐次逼近模数转换器工作机制所示。图3-2逐次逼近模数转换器工作机制Figure3-2WorkingMechanismofSARADC接下来将以3位逐次逼近模数转换器为例，拆解进行一次模数转换所经历的流程。其中数模转换器输出的最高位、次高位、最低位电压分别为Vref21、Vref2步骤①：模数转换器中的数字控制模块给出开始信号后，通过采样保持模块对输入的模拟电压进行采样，同时数模转换器将输出最高位电压作为参考电压，比较器对参考电压和采样得到的电压进行比较，比较结果(输入电压大于参考电压为1，反之为0)将同时存入作为输出的寄存器以及数字控制模块中。步骤②：数字控制模块根据第一次的比较结果对数模转换器的输出进行更改，若第一次比较时参考电压大于输入电压，则将最高位电压关断，并输出次高位电压；若第一次比较时参考电压小于输入电压，则保持最高位电压，同时叠加次高位电压，将二者之和作为输出。假设比较结果如图3-2中的情况，数模转换器的输出会调整为(最高位+次高位)电压，然后再一次与输入电压进行比较，并将结果存入输出寄存器与数字控制模块中。步骤③：由第二次比较结果可以得出，输入电压小于数模转换器的(最高位+次高位)电压，同时又大于数模转换器的最高位电压，因此数字控制模块将保持最高位电压，关断次高位电压，同时再开启最低位电压。此时数模转换器的输出调整为(最高位+最低位)电压，并与输入电压进行最后一次比较，比较结果仅存入输出寄存器中。步骤④(非必须)：根据需求，对输出寄存器中的数据进行串行或是并行形式的输出。步骤⑤：数字控制模块输出复位信号，将数模转换器输出复位，同时清空输出寄存器中的数据，准备下一次的采样。通过拆解逐次逼近模数转换器的转换流程可以发现，对于一个N位逐次逼近模数转换器，完成一次转换操作需要至少N个时钟周期，一般为确保正常工作，至少使用(N+1)个时钟周期，额外的时钟周期用于保持转换器的输出，以及完成对部分模块的复位操作。1.3逐次逼近模数转换器的发展趋势如本论文第二章中所描述，模数转换器最关注的两大参数是采样速率与分辨率，自逐次逼近模数转换器被提出以来，工业界和学术界就不断尝试提高逐次逼近模数转换器的采样速率与分辨率。针对采样速率，在1980年，WilliamC等人在固态电路期刊(IEEEJournalofSolid-StateCircuits,JSSC)中首次提出了多通道时间交织技术，指出通过多个模数转换器的并行操作可以提高采样速率[10]。而逐次逼近模数转换器结构简单，面积小，最适合使用这种技术。在2009年的ISSCC会议上，使用时间交织技术的逐次逼近模数转换器采样速率最高已经达到2.5GS/s，荷兰恩智浦半导体公司(NXPSemiconductors)也在2011年率先推出了时间交织逐次逼近模数转换器芯片，采样速率为2.6GS/s。比较器失调与电容匹配问题则是限制逐次逼近模数转换器分辨率进一步提高的主要原因，当分辨率超过10位以后，由于工艺原因会导致比较器失调电压增大，同时分辨率每提高一位，最大值电容大小就需要翻倍，不仅导致面积大幅度提升，电容的精度误差也会大幅增加，这些影响都会使逐次逼近比较器的信号噪声比等参数减小，转换性能大幅下降。针对这两个的问题，加州大学伯克利分校Gray等人在1984年率先提出了使用校正技术来改善比较器失调与电容失配，如今，几乎所有高精度逐次逼近模数转换器中都设有校正模块，在2020年的ISSCC会议上，清华大学的SunNan等人提出的一款使用了特殊校正算法模块的逐次逼近模数转换器已经可以达到90.9dB的信号噪声比[11]，而不使用校正模块的逐次逼近模数转换器在高分辨率下的信号噪声比一般无法超过50dB。进入21世纪后，除了引入时间交织技术与校正技术，通过将逐次逼近模数转换器结构与其他类型模数转换器结构(包括流水线模数转换器、全并行模数转换器、分时交替模数转换器等)融合也成为了新的研究热点，使用了混合结构的模数转换器也可以完成到高速率、高分辨率的模数转换。在2008年，亚德诺半