8位SARADC设计说明书

1、8位SAR ADC1关键名词解释文档中描述了12位ADC。2功能概述图二。SEQ 图2. * ARABIC一个系统结构ADC子系统2包括一个8通道可配置模拟多路复用器(AMUX2)、一个可编程增益放大器(PGA2)和一个500ksps、8位分辨率逐次逼近型寄存器ADC，其中集成了一个跟踪保持电路。AMUX2、PGA2和数据转换模式可由软件通过特殊功能寄存器进行配置。仅当ADC2控制寄存器(ADC2_CN)的AD2EN位设为“1”时，ADC2子系统(8位ADC、采样保持和PGA)才使能。当AD2EN位为“0”时，ADC2子系统处于低功耗关断模式。ADC2有8个测量通道，由寄存器MUX_2SL选择

2、通道。PGA AMUX输出信号的放大系数由ADC2配置寄存器adc2 _ cf中的AMP2GN2-0决定，PGA可以通过软件编程为0.5、1、2、4，复位时的默认增益为0.5。界面描述输入信号列表序列号信号名称来源意义评论一个P_IN1启动模式选择信号(0，选择P _ in21，选择P_IN3)2P_IN2四种触发和启动方式之一。三P_IN3外部上升沿开始四P_IN4ADCCN6，即低功耗模式选择位(0，连续跟踪；1、低功耗模式)五P_IN5差分模式标志位，(1，差分；0，单端)六P_IN6复位信号(1，复位整个数字部分)七P_IN7使能信号(等于P_IN6，为0时，整个数字部分复位)八P_I

3、N8G2对照放大2倍九P_IN9G4对照放大4倍10P_IN10与信道控制相关的信号11P_IN11P_IN10的反向信号12P_IN12ADC系统时钟和分频时钟的选择信号(1，选择P _ IN130，选择系统时钟)13P_IN13系统分频后的时钟14P_IN14G1控制放大1倍。15P_IN15G.5控制放大0.5倍16十六进制out比较器的输出17第17页连接信号的一部分，与比较器相关18P_IN19本模块中未使用。19CP1系统时钟输出信号列表序列号信号名称某人某事物前进的方向意义评论一个P_OUT1与开始转换标志相关。2P_OUT2与开始转换标志相关。三P_OUT3ADC数据寄存器位0

4、四P_OUT4ADC数据寄存器位1五P_OUT5ADC数据寄存器位2六P_OUT6ADC数据寄存器位3七P_OUT7ADC数据寄存器位4八P_OUT8ADC数据寄存器位5九P_OUT9ADC数据寄存器位610P_OUT10ADC数据寄存器位73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。注意移位寄存器的第一位逻辑。比较开始时，SAR的第一位设置为1，然后设置为0。移位寄存器工作时只有一位是1，这就需要移位寄存器第一个触发器的输出Q端和输入D端有反馈逻辑。当移位寄存器移位完成比较时，移位寄存器的下一位会发出完成信号通知数据寄存器，这样之前已经完成比较的位会一

5、起输出。同时，第一次转换后会通知采样信号，可以进行下一次采样。双端差分输入和单端输入决定解码的最高位，通道配置寄存器提供通道配置信号，与ADC最高位形成决策逻辑。移位寄存器和数据存储寄存器的复位信号也很重要，关系到ADC的启动。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，所以比较器的延迟应为170ns，参考电压为2.4v，比较器的分辨率为1/2 LSB = 4.6875mv，因此每级比较器的输出都有一个有限摆幅的反馈电路。采样建立时间要求由下式给出:SA是建立精度，用LSB的分数表示(例如，0.25的建立精度相当于1/4 LSB)。t是所需的设置时间，单位为秒。RT

6、OTAL是ADC2模拟开关电阻和外部信号源电阻之和。n是ADC的分辨率，用位表示。对于8位ADC，n=8。比较器图3。SEQ 图3. * ARABIC一个采样时第一级比较器的结构图Vin2端连接到共模电平，折叠点处的nMOS电流源由Vin2端的相应输出P_OUT25偏置。在采样结束时，反馈s1开关在采样开关s2和s3之前稍微断开，并且中间开关s4在s2和s3断开之后立即接通。图3。SEQ 图3. * ARABIC28位ADC的比较器结构图REF _Ref244918268 h图3.2它是一个三级比较器，在8位ADC的比较过程中使用，后面是一个锁存器和RS触发器。请注意，第一级是全差分结构，但第

7、二级和第三级不是，因为它们的nMOS输入管接地，不共享电流源。在实际电路中，每个支路的偏置电流设定为(I为一个电流单位)M4管8i；M12管7.5I；M7管4iM84i管。例如，第一级的输出端子p_out25和p_out24分别连接到MF1、MF2、MF3和MF4。这四种管道的工作过程如下:当Vin1和Vin2之差约为运算放大器转换电压的M1时，流经和M2的电流将不平衡。设输入电压使流过M1管的电流为3.5I，流过M2管的电流为4.5i，为了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和MF2管的Vgs设置

8、。此时，MF3和MF4的VG都小于Vth，并且都被关闭。当Vin1和Vin2之差大于转换电压时，M1和M2中的一个饱和，另一个关闭。例如，当Vin2远小于Vin1时，M1关断，8I的电流全部流经M2管，此时流经MF2管的电流最大为4.5I，P _ out25与P_OUT24之差大于MF4管的Vgs，使P _ out24的电压略有升高，P _ out25与P _ out24之差减小。增加的幅度取决于MF3和MF4的纵横比。仿真结果也说明了这一点。附:当vin相差较大时，有箝位二极管:P _ OUT24 = 0.872V，P _ OUT25 = 0.0748V。当vin相差较大时，没有箝位二极管:

9、X24 = 0.95V，X25 = 0.048V。当vin之差较小时，存在箝位二极管:p _ out24 = 0.687V，p _ out25 = 0.707V。当vin差异较小时，无箝位二极管:X24 = X24=0.687v，x25=0.707v图3。SEQ 图3. * ARABIC三扩频条件下比较器仿真结果分析诸如REF _Ref244918524 h图3.3如图所示，net041和net078是比较器的两个输入，相差0.462v，第一级比较器的输出端P_OUT24和P_OUT25相差较大，DAC电压只有在2.01u时才相加，这样比较器的延迟为2.061u-2.01u=51ns。图3。S

10、EQ 图3. * ARABIC四扩频条件下比较器仿真结果分析当比较器两端之差为7.2mv时，延时明显增大，第一级两个输出端的电压差约为56mv。反馈MF1和MF2导通，MF3和MF4关断，流过的电流之差就是流过输入管的电流之差。可变增益结构诸如REF _Ref244744678 h图3.5如图所示，比较器的一个输入为vp，其输出为vp _ out；另一个是vn，它的输出端是vn_out。采样时，开关S1闭合，vp_out接其输入VP；S2闭合，vn_out连接到地下折叠pmos的栅极，作为偏置电压为比较器提供电流源，vn连接到vcm，形成单位负反馈。输入端子vp的电压跟随vcm，并且偏移电压存

11、储在采样电容器Cs1上。图3。SEQ 图3. * ARABIC五具有采样保持电路的第一级采样后，S1关断，S2关断，然后clk变低，即Vs1和Vs2的传输门关断。此时控制Mn和Mp的信号会使Mn和Mp导通，DAC电压接通，然后发生电荷转移。此时的等效电路如下。例如:(a) (b)图3。SEQ 图3. * ARABIC六(a)Mn和Mp没有接通；(b)当b)Mn和Mp接通，DAC电压接通时。(a) (b)图3。SEQ 图3. * ARABIC七(a)比较器Vp的输入端；(b)比较器Vn的输入在实际电路中，为了便于推导和理解，Vs2和Vn之间连接的电容等效为电容C，Vs1和Vp之间以及Data D

12、ata和Vp之间连接的电容也可以等效为电容C，如REF _Ref244918579 h图3。七Vp和Vn各有四个输入结构相同的电容，根据不同的控制信号有不同的输入状态。设Cs1=nC，Cs2=nC，即当Vs1和Vs2都接两个电容时，Mn和Mp导通后，由于接地电容存在电荷重新分布。电容上的电荷转移假设如下:图3。SEQ 图3. * ARABIC八电荷转移图容易解决电容器Cd上的电压变化为规则连接DAC电压后，将连接的DAC电容设置为Cd ，有些是此时，比较器的另一端固定到Vcm。可以看出，增益取决于与的比值。通过逻辑控制，可以得到n=2或4，等于4C，2C，c的三种情况，可以组合出增益为4，2，

13、1，0.5的四种情况。例如，当增益为1时，比较器一端的电压为Vcm，另一端的电压由下式给出:部分模拟结果当增益=1时，比较器一端的电压由下式给出:表3。SEQ 表3. * ARABIC一个增益=1时的仿真结果工艺角悬浮物电汇消防理论值(采样后，V)0.85260.85260.8526理论值(Vdac后，V)1.15621.15621.1562仿真值(v)1.16411.16561.1664误差(毫伏)8.99.610.2延迟时间75n70n68n_out一个一个一个Idiss条件:(Cs=2.56p，采样时间700ns)当增益=0.5时，比较器一端的电压由下式给出:表3。SEQ 表3. * A

14、RABIC2增益=0.5时的仿真结果工艺角悬浮物电汇消防理论值(采样后，V)0.25630.25630.2563理论值(Vdac后，V)1.15431.15431.1543仿真值(v)1.14821.14461.1654误差(毫伏)6.19.711.1_out000Idiss条件:(Cs=2.56p，采样时间700ns)增益=2比较器一端的电压由下式给出:表3。SEQ 表3. * ARABIC三增益=2时的仿真结果工艺角悬浮物电汇消防理论值(采样后，V)0.46820.46820.4682理论值(Vdac后，V)1.16231.16231.1623仿真值(v)1.15291.15631.160

15、2误差(毫伏)9.46.02.1延迟时间127n95n72n_out0一个一个Idiss条件:(Cs=2.56p，采样时间700ns)增益=4比较器一端的电压由下式给出:表3。SEQ 表3. * ARABIC四增益=4时的仿真结果工艺角悬浮物电汇消防理论值(采样后，V)0.65480.65480.6548理论值(Vdac后，V)1.18241.18241.1824仿真值(v)1.17951.18961.1802误差(毫伏)2.97.22.2延迟时间32n32n32n_out一个一个一个Idiss条件:(Cs=2.56p，采样时间700ns)此时比较器一端的电压为Vcm=1.151v，另一端的电

16、压对应不同的增益有相应的值。在模拟过程中，发现误差如下:加上DAC电压后，误差主要来自有效8位二进制数的权重。权重越大，误差越大，因为权重显著的比特系数越大。缩放电容没有严格按照(16/15)U乘以单位电容的比例来模拟，而是直接使用单位电容，这主要是由于版图的限制。因为所有的电容都是按照单位电容和匹配的原则绘制的，如果只针对理论上应该是(16/15)U的两个电容修改版图，那么匹配和版图都会受到影响。理论上来说，U和(16/15)U的电容误差是(1/15)U，不算太大，所以多到没有修改。技术文档中给出的采样电容为5p，仅限于工艺库文档。根据原照片和原工艺的面积，模拟中使用的采样电容约为2.56p

17、，实际新工艺版图中提出的电容约为3.33pf4验证结果分析4.1 TT 25时的模拟结果图4。SEQ 图4. * ARABIC一个TT 25，差分输入负电压条件下图4。SEQ 图4. * ARABIC2TT 25，差分输入正电压条件下图4。SEQ 图4. * ARABIC三TT 25，带单端输入在中收集上述曲线的结果。REF _Ref244919542 h表4。一中等:表4。SEQ 表4. * ARABIC一个TT 25模拟结果参数参数积分非线性1LSB微分非线性1LSB偏移误差0LSB全度误差负，(1 LSB)；向前，(0LSB)测量条件:AVDD=3v，AVREF=2.4v，PGA=1，T

18、T，254.2不锈钢在85时的模拟结果图4。SEQ 图4. * ARABIC四SS 2.7v 85，双端输入负电压图4。SEQ 图4. * ARABIC五SS 2.7v 85，双端输入正电压图4。SEQ 图4. * ARABIC六SS 2.7v 85，单端输入正电压下表总结了上述曲线的结果，例如REF _Ref244919561 h表4。2显示:表4。SEQ 表4. * ARABIC2SS 85模拟结果的参数参数积分非线性1LSB微分非线性1LSB偏移误差-1LSB全度误差负，(1 LSB)；向前，(0LSB)测量条件:AVDD=2.7v，AVREF=2.4v，PGA=1，SS，854.3不锈

19、钢在125时的模拟结果图4。SEQ 图4. * ARABIC七SS 2.7v 125，双端输入负电压图4。SEQ 图4. * ARABIC八SS 2.7v 125，双端输入正电压图4。SEQ 图4. * ARABIC九SS 2.7v 125，单端输入下表总结了上述曲线的结果，例如REF _Ref244919586 h表4。3显示:表4。SEQ 表4. * ARABIC三SS 125模拟结果的参数参数积分非线性1LSB微分非线性1LSB偏移误差-1LSB全度误差负值，(-1 LSB)；向前，(1LSB)测量条件:AVDD=2.7v，AVREF=2.4v，PGA=1，SS，1254.4 FF -5

20、5的模拟结果图4。SEQ 图4. * ARABIC10FF 3.6v -55，双端输入负电压图4。SEQ 图4. * ARABIC11FF 3.6v -55，双端输入正电压图4。SEQ 图4. * ARABIC12FF 3.6v -55，单端输入正电压下表总结了上述曲线的结果，例如REF _Ref244919605 h表4。四显示:表4。SEQ 表4. * ARABIC四FF -55模拟结果参数参数积分非线性2LSB微分非线性2LSB偏移误差1LSB全度误差负值，(-2 LSB)；向前，(0LSB)测量条件:AVDD=3.6v，AVREF=2.4v，PGA=1，FF，-554.5 FF -40的模拟结果图4。SEQ 图4. * ARABIC13FF 3.6v -40，双端输入负电压