关于SARADC比较器的研究与设计

简介：
本研究聚焦于SARADC比较器的设计与优化，探讨了其工作原理、性能指标及影响因素，并提出了一种新型高效设计方案。 ### 1. SARADC概述 SARADC是一种常用的模数转换器架构，在便携式设备及电池供电仪器等领域广泛应用。它适用于需要中等到较高分辨率的应用场景，并且具备低功耗、小尺寸等优点，采样速率通常在几kSPS到几MSPS之间。其核心在于采用高效的二进制搜索算法，通过逐位逼近的方式将模拟信号转换为数字信号。 ### 2. SARADC的工作原理 SARADC的基本结构包括采样保持电路、比较器、DAC（数模转换器）、寄存器和移位寄存器等部分。具体工作流程如下： 1. **采样与保持**：首先将模拟输入信号VIN锁定在采样保持电路上。 2. **初始化**：N位寄存器设置为中间值，例如对于8位寄存器应设为10000000，即最左边的位是1其余全为0。此时DAC输出等于基准电压VREF的一半。 3. **比较与更新**： - 比较VIN和VDAC大小； - 若VIN > VDAC，则寄存器左端保持高电平；反之则设为低电平。 - 移位寄存器向右移一位，重复上述步骤直至完成所有位的比较。 4. **结果存储**：转换完成后，N位数字信号被保存在寄存器中。 ### 3. 比较器分析 SARADC中的关键组件是负责模拟输入与参考电压对比并输出二进制信号的比较器。根据工作原理不同，可以分为开环和再生两种类型： - **开环比较器**：基于未补偿运算放大器实现，速度快但精度较低。 - **再生比较器**：利用正反馈提高稳定性，适用于高精度应用。 比较器的主要性能指标包括静态特性和动态特性： - 静态特性涉及增益、分辨率和输入失调电压等； - 动态特性则包含传输延迟时间和最小输入转换速率等。 ### 4. 比较器设计 为了提升SARADC系统的精度与速度，本研究提出了一种基于两级差分放大器的设计方案： - **两级差分放大器**：作为前置放大以提高比较器的灵敏度和准确性。 - **自偏压差分放大器**：用于输出最终结果并确保其稳定性。 - **电容耦合技术**：在输入端使用电容耦合并有效消除失调电压影响。 ### 5. 仿真测试 利用0.18μm工艺模型，在Cadence环境下对设计的比较器进行了全面验证。结果显示，该设计方案能够满足SARADC系统所需的性能指标要求。 ### 6. 结论 基于SARADC架构，本段落提出了一种采用两级差分放大器作为前置放大，并通过自偏压差分放大器输出结果的设计方案。在0.18μm工艺下实现了良好的效果，验证了其应用于逐次逼近模数转换器中的价值。 综上所述，本设计不仅满足高速度和高精度的需求，还充分利用现代半导体技术的优势，为高性能的模数转换器提供了新的思路和技术支持。