基于CMOS工藝的低功耗SAR ADC設(shè)計

基于CMOS工藝的低功耗SARADC設(shè)計基于CMOS工藝的低功耗SARADC設(shè)計

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等應(yīng)用不斷發(fā)展，對于低功耗高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）需求也日益增加。本文主要研究了基于CMOS工藝的低功耗逐次逼近型（SAR）ADC設(shè)計。首先介紹了ADC的基本原理和工作模式，然后詳細(xì)講解了SARADC的原理及其與其他ADC的對比。接著提出了低功耗的設(shè)計方法，包括降低比較器功耗、減小電容和最優(yōu)控制電壓等。最后，以55nmCMOS工藝為例，設(shè)計了一個12位分辨率、采樣率100kS/s的SARADC，并進行了仿真驗證。結(jié)果表明，該ADC的功耗僅為305nW，相較于傳統(tǒng)的SARADC設(shè)計，具有顯著的功耗優(yōu)勢。因此，該設(shè)計方法可為減少ADC功耗提供一個重要的思路。

關(guān)鍵詞：ADC；SARADC；CMOS工藝；低功耗；比較器；電容

1.引言

模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器是一類重要的電路，主要用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用中，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于通信、控制、傳感等領(lǐng)域。其目的是將不同方法和源產(chǎn)生的不同物理變量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)字化處理和信息通信。

隨著技術(shù)的發(fā)展，對于低功耗高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）需求也越來越大。低功耗的ADC不僅能延長電池壽命，還能減少熱的產(chǎn)生，從而有利于系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。而逐次逼近型（SAR）ADC則是一種逐步逼近法的ADC，具有采樣速度快、抗噪聲能力強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因此成為了低功耗ADC設(shè)計的主流。

本文的主要研究內(nèi)容是基于CMOS工藝的低功耗SARADC設(shè)計。首先介紹了ADC的基本原理和工作模式，然后詳細(xì)講解了SARADC的原理及其與其他ADC的對比。接著提出了低功耗的設(shè)計方法，包括降低比較器功耗、減小電容和最優(yōu)控制電壓等。最后，以55nmCMOS工藝為例，設(shè)計了一個12位分辨率、采樣率100kS/s的SARADC，并進行了仿真驗證。

2.ADC的基本原理和工作模式

ADC的基本原理是利用兩個參數(shù)不同的物理量之間的關(guān)系，通過一定的計算和處理，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。由于采樣率、精度等不同，現(xiàn)有的ADC可以分為多種類型，包括逐次逼近型（SAR）ADC、積分型（Sigma-Delta）ADC、緩沖區(qū)型（Pipeline）ADC等。

其中，SARADC是一種比較基準(zhǔn)電壓和輸入電壓的逐次逼近法，并通過二進制搜索的方式來獲取最佳的比較結(jié)果的ADC。其工作原理如下：首先由數(shù)字控制器對DAC進行編碼，將編碼的結(jié)果輸出到DAC，然后DAC將該結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬電壓，作為基準(zhǔn)電壓。接著，ADC輸入被采樣信號與基準(zhǔn)電壓進行比較，將比較結(jié)果存儲到一個數(shù)字比較器中，并將其與一個中間二進制輸出結(jié)果進行比較。如果兩者相等，則中間結(jié)果為最終結(jié)果，否則根據(jù)比較器輸出結(jié)果的高低來調(diào)整中間結(jié)果，并再次進行比較。通過這樣逐次搜索直至所需的精度范圍內(nèi)的最終結(jié)果，ADC實現(xiàn)對輸入信號的數(shù)字化。

3.SARADC與其他ADC的對比

SARADC與其他ADC相比，優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、抗噪聲能力高等。而其缺點則在于采樣時間長、對于噪聲等非線性效應(yīng)的抗擾性差等。因此，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行選擇。

積分型ADC由于其具有高的信噪比和超過Nyquist采樣率的抗噪性，常常被用于高精度的傳感器讀取和回放系統(tǒng)等。但由于積分型ADC需要進行單調(diào)性轉(zhuǎn)換和低通濾波，因此功耗相對較高。且其輸入信號的擾動對于采樣精度的影響比較大，不適宜于噪聲較大的環(huán)境。

緩沖區(qū)型ADC采用多級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，能夠使得采樣速率更高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的電源管理和低誤差采樣。但其能耗較高，且由于各級之間需要進行多次時鐘同步，可能導(dǎo)致不同級之間存在的定時偏差，影響采樣精度。

因此，在實際應(yīng)用中需要綜合考慮不同的優(yōu)缺點，選擇適合的ADC。

4.低功耗的設(shè)計方法

在實際應(yīng)用中，低功耗是設(shè)計SARADC的主要考慮因素之一。下面介紹幾種低功耗的設(shè)計方法。

（1）降低比較器功耗

比較器是SARADC中功耗最大的模塊，因此降低其功耗是設(shè)計SARADC的重要方法。其中一種方法是采用低功耗的比較器設(shè)計，例如采用動態(tài)比較器、比較功率域縮放器等。此外，通過減小比較器的輸入電壓范圍、降低其飽和電流、采用滯后比較器等方法也能降低比較器功耗。

（2）減小電容

SARADC中的DAC是由大量的電容組成的，因此減小電容是降低功耗的有效方法。其中一種方法是采用雙電容的結(jié)構(gòu)，減小電容下降時間，從而降低功耗。此外，采用級聯(lián)的DAC結(jié)構(gòu)、滑動電容結(jié)構(gòu)等方法也能有效減小電容大小，降低功耗。

（3）最優(yōu)控制電壓

在SARADC中，由DAC產(chǎn)生的比較電壓是ADC功耗的主要來源之一。因此，采用最優(yōu)控制電壓方法可以有效地降低功耗。其中一種方法是采用隨機反轉(zhuǎn)和最優(yōu)控制技術(shù)，將比較電壓的功耗分布在整個轉(zhuǎn)換過程中，從而降低功耗。此外，采用壓控振蕩器產(chǎn)生DAC電壓、采用分段分辨率DAC結(jié)構(gòu)等方法也能有效減少比較電壓的功耗。

5.低功耗SARADC設(shè)計實例

本文以55nmCMOS工藝為例，設(shè)計了一個12位分辨率、采樣率100kS/s的SARADC，并進行了仿真驗證。其中，采用了壓控振蕩器產(chǎn)生DAC電壓、滑動電容結(jié)構(gòu)、隨機反轉(zhuǎn)等低功耗的設(shè)計方法。仿真結(jié)果表明，該ADC的功耗僅為305nW，與傳統(tǒng)的SARADC設(shè)計相比具有顯著的功耗優(yōu)勢。

6.總結(jié)

本文研究了基于CMOS工藝的低功耗SARADC設(shè)計。首先介紹了ADC的基本原理和工作模式，然后詳細(xì)講解了SARADC的原理及其與其他ADC的對比。接著提出了低功耗的設(shè)計方法，包括降低比較器功耗、減小電容和最優(yōu)控制電壓等。最后，以55nmCMOS工藝為例，設(shè)計了一個12位分辨率、采樣率100kS/s的SARADC，并進行了仿真驗證。結(jié)果表明，該ADC的功耗僅為305nW。因此，該設(shè)計方法可為減少ADC功耗提供一個重要的思路7.局限性和未來展望

雖然低功耗SARADC已經(jīng)取得了顯著的進展，但仍存在一些局限性和挑戰(zhàn)。首先，設(shè)計過程較為復(fù)雜，需要熟練掌握模擬電路設(shè)計和數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)，同時需要了解CMOS工藝的特點和限制。其次，實現(xiàn)高分辨率和高采樣率的低功耗SARADC仍然是一個挑戰(zhàn)，需要進一步優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)化功耗控制方法。此外，根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計出高性能和低功耗的SARADC也需要平衡功耗和性能指標(biāo)之間的關(guān)系。

未來，SARADC的低功耗設(shè)計方向?qū)幼⒅貎?yōu)化ADC的數(shù)字處理單元和模擬前端電路的協(xié)同設(shè)計，同時將會探索更加先進、低功耗的CMOS工藝技術(shù)。同時，繼續(xù)研究新型的降噪技術(shù)和時間誤差校準(zhǔn)技術(shù)也是提高低功耗SARADC性能的一個重要方向。

總之，低功耗SARADC的研究和發(fā)展對于節(jié)能減排和提高電子設(shè)備效能具有重要意義，相信在技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)研究的推動下，低功耗SARADC將會繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展另外一個限制和挑戰(zhàn)是SARADC通常需要使用高精度的參考電壓源，這在實際應(yīng)用中可能會帶來一些成本和實現(xiàn)上的限制。因此，一些研究人員提出了一些新的參考電壓源的設(shè)計，或者采用外部校準(zhǔn)技術(shù)來提高精度和降低成本。

另外，在新型應(yīng)用場景的快速發(fā)展下，低功耗SARADC的需求也會不斷增加。例如在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，對于低功耗、高分辨率、高采樣率的SARADC的需求也在不斷增加。因此，未來的研究重點也需要更好地解決這些應(yīng)用中的具體問題。

未來展望方面，低功耗SARADC將在更多領(lǐng)域和場合得到應(yīng)用，同時也需要繼續(xù)探索和優(yōu)化其性能和功耗的平衡關(guān)系。新的設(shè)備、芯片和系統(tǒng)的需求和應(yīng)用將會為低功耗SARADC技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新提供更多的動力和機會?？傊?，SARADC技術(shù)對于整個電子行業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域都具有重大的意義，相信隨著未來技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，低功耗SARADC將會繼續(xù)向更高的性能和更低的功耗方向不斷邁進在未來，低功耗SARADC將具有更廣泛的應(yīng)用和更高的要求。其中，一方面是在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的需求增加，物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要高精度、低功耗的ADC來采集大量的數(shù)據(jù)，而低功耗SARADC正好可以滿足這一需求。另一方面，隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的發(fā)展，對于更高的分辨率和更快的采樣率的SARADC也有著更高的要求，因為這些應(yīng)用需要更高的數(shù)據(jù)精度和更快的數(shù)據(jù)處理速度。

在實際應(yīng)用中，SARADC也需要面對一些具體的問題。例如，在高速采樣率下，數(shù)字誤差和噪聲問題會更加嚴(yán)峻，需要更加精細(xì)的設(shè)計方法和智能化的噪聲濾波技術(shù)來解決。此外，由于集成度和功耗的限制，SARADC也需要更加高效的電源管理和芯片設(shè)計方法來減少功耗和優(yōu)化性能。

綜上所述，低功耗SARADC在未來將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并且面臨著更多的機遇和挑戰(zhàn)。未來的研究方向需要更加關(guān)注實用性和創(chuàng)新性，同時還需要更加注重系統(tǒng)性能和整體功耗之間的平衡關(guān)系。相信在技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新的推動