超低功耗ADC不可或缺 DAC匹配精准设计的挑战

　　在2015年国际固态电路大会上，IMEC和Holst Centre展示了一款高速、紧凑和高度精确的逐次逼近型ADC（或SAR ADC）。这款13位的ADC在1V供电时，功耗仅46μW，相比同类产品，它具有最高的功效。该芯片的SNDR（或信噪比和失真比）为64.1dB。该设计的点睛之笔是采用了超低功耗的片上后台校准，该校准利用了冗余优化纠错方案。由于该技术是普适的，所以可被用于许多新的、用于超低功耗无线应用的ADC设计。

　　超低功耗ADC不可或缺

　　当今的无线电子系统在数字域中存储和处理信息。这些系统为与现实世界信号交互，就需要在模拟和数字信号间进行转换。因此，模拟-数字转换器（或ADC）的发展，就一直是这些无线系统得以成功的要素之一。为适用于各无线标准（如802.15.14g），这些ADC就必须要满足一些严苛的要求：必须低功耗；高的转换速率（以百万次采样每秒或MS/s表示）；高分辨率（》10bit）。分辨率表示在整个模拟值范围，该ADC可以生成的离散值的数。由于这些值被以二进制格式存储，所以分辨率以位表示。

　　DAC匹配，精准设计的挑战

　　在实现ADC的许多方法中，SAR（或逐次逼近型）ADC以其出色功效而备受瞩目。SAR ADC使用一个比较器来逐次缩小包含该输入电压的范围。SAR ADC设计中的一个关键部件是一个内部数字-模拟转换器（或DAC），它用于驱动上述比较器。且该DAC的作用也很关键，因为SAR ADC的精度主要由DAC电容器的匹配来限定。该匹配主要受制造工艺和物理设计的影响。因此，就现代CMOS技术来说，SAR ADC的固有精度被限定在10至12位。

　　研究者在寻找解决方案以改进DAC匹配。一种方法是扩大器件的尺寸，但它以功效和速度为代价。一种替代方案是，引入校准，通过测量并校正导致的误差，来校正电路的缺陷。这些校准大多在片外实现，因为若在片上实现校准电路，其功耗相对要高。

　　解决方案：片上冗余优化后台校准

　　IMEC和Holst Centre提出了一种创新方案，它成功地在片上实现了低功耗、全自动的后台校准。该校准利用了冗余优化错误检测和校正方案。

　　在模拟-数字转换过程中引入冗余是另一种流行的处理错误的方案。它与校准不同的地方在于：冗余既不测量也不纠正误差，而是由转换算法简单地决定容忍或抛弃转换结果。为使某些校准技术能发挥效用通常需要结合校准和冗余这两种方法。在我们的设计中，冗余不仅方便了上面提出的后台校准，它还放宽了对DAC建立时间的要求，并通过使用双模式比较器降低了功耗。

　　这款ADC共使用了15个周期来执行一个13位的转换。双模式比较器首先工作在低功耗模式（模式1），并在最后5个周期，切换到高精度模式（模式2），从而将功耗降低一半。但仍存在两个错误。首先，DAC匹配被限制在《10位，这是由于用于DAC电容器、用来减小面积的小元件（0.3 fF）的存在。第二，当比较器从模式1切换到模式2时，发生动态偏移。

　　自动化后台校准以可忽略不计的面积或功耗的代价，成功地解决了这两个错误。校准逻辑只应用于一组有限、适用于DAC或比较器校准的SAR代码。这样，就有效地减小了由动态比较器偏移造成的大的初始DNL（或差分非线性）误差，且同时抑制了由DAC失配造成的INL（或积分非线性）误差。

　　图1：ADC架构。该ADC架构包括比较器、SAR逻辑、反馈DAC和校准逻辑。

　　图2：ADC芯片的照片。一款由40nm CMOS工艺实现的超低功耗6.4MS/s、13位ADC。

　　通过使用这种创新的设计，IMEC和Holst Centre的研究人员采用40nm CMOS工艺实现了一款6.4MS/s的13位ADC。归功于低功耗校准，该ADC实现了10.4bit（或ENOB）的有效位以及先进的5.5fJ/每转换步骤（@6.4 MS/s）的能效。总体而言，该芯片功耗为46uW/1V工作电源。该ADC实现了64.1dB的SNDR（或信噪比和失真比）。将SNDR与ENOB综合起来看，显示出该ADC具有优异的整体动态性能。相比于类似器件，这款ADC实现了最佳能效，且同时还在片上整合了用于比较器偏移和DAC失配的后台校准技术。

　　表1：ADC结果，性能总结及与先进同类器件的对比。