论文总字数：41767字

摘 要

模数转换器（ADC）将外界的模拟信号转化为数字信号进行处理，是各种无线传感器节点中的关键部分。逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）由于自身独特的优势能够更好地适应低电压、低功耗的工作场合，是当前研究的热点。而内部数模转换器（DAC）是SAR ADC的重要部分，DAC电容开关算法对SAR ADC的功耗有着重要影响。

论文旨在对SAR ADC开关算法进行研究。论文阐述了SAR ADC基本工作原理和电容切换过程，调研并分析了几种经典的开关算法，在此基础上设计了一种更加优化的适用于SAR ADC的开关算法。该开关算法采用三个参考电平和比传统算法少75%的电容面积，通过前两步较为复杂的切换减小了开关能量。此外，该开关算法在最后一步切换前均采用两侧电容阵列同时切换的方式，使DAC输出端共模电压几乎保持不变。

最终仿真结果显示，该算法消耗的开关能量相比于传统算法节省了98.45%。此外，论文从非线性和DAC输出共模变化两个方面讨论了该开关算法对SAR ADC性能的影响，并与其他开关算法进行了比较。

关键词：逐次逼近型模数转换器，开关算法，开关能量，共模电压

Abstract

Analog-to-digital converters (ADCs) convert external analog signals into digital signals for processing and are a key part of wireless sensor nodes. The successive approximation register (SAR) ADC can be adapted to low-voltage, low-power operation situations due to its unique advantages, and is the focus of current research. The internal digital-to-analog converter (DAC) is an important part of the SAR ADC,and the DAC capacitor switching scheme has an important influence on the power consumption of the SAR ADC.

Capacitor switching scheme is studied in this thesis. The basic working principle of SAR ADC and capacitor switching process are expounded,and several classical switching schemes are analyzed.Based on these schemes, a more optimized switching scheme for SAR ADC is proposed. This switching scheme uses three reference voltages and reduces the number of capacitors in the DAC capacitor array by 75% as compared with the conventional architecture,and reduces switching energy through the first two steps of more complex switching. In addition, this switching scheme switches both sides of the capacitor array at the same time before the last step, so that the common-mode voltage at the output of the DAC remains almost constant.

The final simulation result shows the consumed switching energy of this scheme is 98.45% less than conventional scheme.In addition, the influence of this switching scheme on the performance of SAR ADC is analyzed,including the nonlinearity and the common-mode variation of DAC output. Various capacitor switching schemes are compared.

KEY WORDS: SAR ADC, capacitor switching scheme, switching energy, common-mode voltage

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 论文研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文主要研究内容 2

1.4 论文结构安排 2

第二章 SAR ADC开关算法综述 4

2.1 SAR ADC基本工作原理 4

2.2 开关算法原理及能量计算 5

2.2.1 DAC电容切换的基本原理 5

2.2.2 电容切换中消耗能量的计算 6

2.3 经典的开关算法 7

2.3.1 传统开关算法 7

2.3.2 “set and down”算法 8

2.3.3 “Vcm-based”算法 9

2.3.4 “new tri-level”算法 10

2.3.5 “Vcm-based monotonic”算法 11

2.4 开关算法对SAR ADC性能的影响 12

2.4.1 开关算法对ADC线性度的影响 12

2.4.2 开关算法对比较器失调的影响 13

2.5 本章小结 14

第三章 改进型开关算法设计 15

3.1 改进型开关算法设计思路 15

3.1.1 降低开关能量 15

3.1.2 保持DAC输出共模不变 16

3.2 改进型开关算法设计与仿真 16

3.2.1 切换过程 16

3.2.2 开关能量仿真 18

3.3 本章小结 19

第四章 开关算法对SAR ADC的影响分析 20

4.1 电容失配对ADC线性度的影响 20

4.2 DAC输出共模变化对比较器失调的影响 22

4.3 本章小结 23

第五章 总结与展望 24

5.1 总结 24

5.2 展望 24

致谢 25

参考文献 26

附录 27

绪论

论文研究背景及意义

近年来，随着无线通信和大规模集成电路的快速发展，对于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的研究与设计正在引起人们越来越大的兴趣。在各种传感器中，传感信号（如声音、温度等）都是由模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）进行数字量化，进而将传感信号转化为数字信号进行处理。在这些传感器中，ADC是最关键、也是最为耗电的模块。但是，由于CMOS工艺特征尺寸不断减小带来的低电源电压以及传感器网络节点供电的电池限制，传感器网络节点在低电压和低功耗条件下的工作是不可避免的。在这种情况下，逐次逼近寄存器（Successive Approximation Register，SAR）型ADC显现出了自身独特的优势。一方面，SAR ADC在功耗方面有着突出的优势，因为SAR ADC结构中只有比较器这个唯一的有源器件，不需要会消耗大量静态功耗的高增益高带宽运算放大器等器件；另一方面，工艺特征尺寸减小带来的低电源电压使得模拟电路的设计变得更加困难，但是SAR ADC中的模拟电路部分只有采样保持电路、比较器和电容型数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC），对模拟电路要求不高，所以低电源电压对SAR ADC的工作影响不大，并且在SAR ADC结构中占比很高的数字电路部分可以从工艺特征尺寸的减小中受益。

SAR ADC的功耗主要集中在DAC网络，比较器和SAR控制逻辑电路上，其中DAC网络是整个ADC结构中的一个重要部分，降低DAC上的功耗可以明显改善SAR ADC的总功耗。出于能效和精度方面的考虑，通常选用电容型DAC。开关算法是切换电容阵列所连接的电平以进行参考电压和输入电压的逐次逼近的过程，而DAC的功耗主要是每一步切换过程中电容阵列通过充放电所消耗的动态功耗，因此不同的电容DAC开关算法对DAC转换过程中的功耗影响很大，优质的开关算法可以大大降低切换过程中电容阵列上消耗的能量。除功耗外，开关算法对于SAR ADC的其他性能（如线性度等）也有着重要影响。

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