一种18位SAR ADC的设计实现

比较器输入端的等效失调电压为：

　　根据ADC 的精度和电容阵列的校准算法， 并通过调节辅助运放和调零运放的增益使多级比较器的精度达到设计要求， 本次设计比较器的精度需高于19 位。图6 为加入辅助输入端的低增益跨导放大器的电路设计， 本次设计各级前放的增益约为22dB.

　　调零放大器采用全差分折叠式共源共栅结构， 一方面可实现高增益， 另一方面用于构成单位负反馈， 从而可用电容检测并消除自身的失调。本次设计， 该运放增益需要达到70dB 以上， 同时为保证输出共模电平的稳定需加入共模反馈。

图6 前置跨导放大器的电路实现

　　5 仿真结果

　　比较器的测试可采用动态失调测试平台（ DOTB） 进行，如图7 所示。此方法运用单位增益放大器、积分器的性质， 将比较器接入环路， 通过对测试精度的调整， 最终得到比较器的等效输入失调。

图7 动态失调测试平台框图

　　测试结果（ 图8） 表明： 加入消失调机制后， 多级比较器等效输入失调约为3μV（ <4μV） , 从而使比较器的精度达到了20 位。

图8 单级比较器动态失调测试结果。

　　通过对ADC 进行频谱分析， 测量其动态性能，即可反映ADC 的精度与线性度，并验证数字校准的效果。为避免频谱泄漏[7], 加入的正弦激励信号的频率和采样频率应满足如下关系：

　　Fin、Fs 分别表示输入信号频率和采样频率， Npoint为采样点数， n 为正整数， 且n<Npoint, 为保证采样的遍历性， 还应满足n 与Npoint 互为素数。如图9 所示，当采样频率为120 kHz 时， SAR ADC 在未进行数字校准时， 由于匹配问题， 频谱表现出明显的谐波， 且信噪比较低， 可推算ADC 的有效位仅为13.45 位；经过校准后， 非线性问题基本消除， 频谱得到明显改善， 使得本次设计的SAR ADC 精度达到17.55 位。

图9 ADC正弦激励下的频谱分析（ a） 未校准（ b） 校准后。

　　6 结论

　　本设计通过由低到高依次校准电容阵列的方法， 改善了电容DAC 的线性度； 利用辅助输入端消失调技术， 将比较器的精度提高到设计所需的指标。

　　实现了18bit 的精度要求。采用了多级比较器各级一次性消失调的结构， 提高了ADC 的转换速度； 同时， 电容阵列DAC 的设计和运用使得较低的功耗成为本次SARADC 设计的另一优点。