一种16位指令驱动型逐次逼近型模数转换器-AET-电子技术应用

一种16位指令驱动型逐次逼近型模数转换器

电子技术应用

秦克凡，张昱晟，郑新月，马伟，胡伟波

南开大学电子信息与光学工程学院

摘要： 设计实现了一种指令驱动型16位逐次逼近型模数转换器（SAR ADC），旨在支持精准获取被监控设备的实时状态。设计的ADC仅在主控机指令发送后进行转换，可以实现精准的数据采集和故障判断。该ADC包含三个部分：第一级ADC、第二级ADC、极间放大器。该ADC采用一次性片上校准技术，为了进一步提高ADC线性度，在第一级电容阵列（CDAC）设计中采用增量式和二进制混合电容阵列。测试结果表明该ADC实现了82 dB的信纳比（SNDR）和84 dB的信噪比（SNR）。测量的微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）分别为-0.9/+1.5 LSB和-5.5/4 LSB。电路采用180 nm CMOS工艺制造，芯片面积为2.9 mm2，供电电压为5 V，功耗为6 mW。

关键词： 指令驱动型逐次逼近型模数转换器SARADC 电容阵列CDAC 前台校准

中图分类号：TN402 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257009
中文引用格式： 秦克凡，张昱晟，郑新月，等. 一种16位指令驱动型逐次逼近型模数转换器[J]. 电子技术应用，2026，52(3)：51-55.
英文引用格式： Qin Kefan，Zhang Yusheng，Zheng Xinyue，et al. A command-driven 16-bit SAR ADC[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(3)：51-55.

A command-driven 16-bit SAR ADC

Qin Kefan，Zhang Yusheng，Zheng Xinyue，Ma Wei，Hu Weibo

College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University

Abstract： This paper presents a command-driven 16-bit successive approximation register analog-to-digital converter (SAR ADC) designed to enable precise real-time monitoring of target devices. The ADC performs conversion only upon receiving commands from the host, allowing accurate data acquisition and fault detection. The proposed ADC consists of three main components: the first-stage ADC, the second-stage ADC, and the residue amplifier. A one-time on-chip calibration technique is employed to mitigate the capacitor mismatch. An incremental and binary hybrid capacitor array is implemented in the first-stage capacitive digital-to-analog converter (CDAC) design. After calibration, measurement results show that the ADC achieves an SNDR of 82 dB and an SNR of 84 dB. The measured differential nonlinearity (DNL) and integral nonlinearity (INL) are -0.9/+1.5 LSB and -5.5/+4 LSB, respectively. The circuit is fabricated in a 180 nm CMOS process, occupies an active area of 2.9 mm², operates at a supply voltage of 5 V, and consumes 6 mW of power.

Key words : command-driven；SAR ADC；CDAC；on-chip calibration

引言

物联网设备作为人类与物理世界之间信息丰富的接口被广泛应用。物联网节点的开发面临着功耗、精度等方面的挑战[1-3]。在实际应用中，为了满足物联网设备低功耗的需求，通常会选择将系统中的高性能、高功耗器件处于休眠状态。一种新兴的事件驱动方式是应用一个始终在线的事件监测器，将高功耗、高性能的器件从省电模式中唤醒，从而节省系统的整体功耗。唤醒事件监测器仅在感兴趣的事件到来后触发高功耗、高性能器件[4-7]。由于物联网节点应用场景的特殊性，使用这种控制方式会使整体系统长期处于低功耗的休眠状态，功耗更低，更适合小电池容量的物联网设备。

作为物联网设备中的重要一环和大功耗处理器件，模数转换器（ADC）的运行策略不仅决定了ADC自身的功耗，更决定了整个物联网设备的性能[8-12]。传统的ADC是以固定采样频率进行连续采样的，这不仅消耗了大量的功耗，也造成了大量的数据冗余。这对于物联网应用来说是致命的。为了配合实现事件触发的需求，ADC需要进行独特的设计。该ADC仅仅在指令触发后才进行转换，并且在下一次指令发送前要收到当前的转换结果。所以ADC的输出与指令之间存在着一一映射的关系。这种ADC称指令驱动型ADC。

高精度ADC在物联网设备中有着广泛的应用。而指令驱动型ADC转换的独特性，限制了ADC架构的选择。在高精度ADC设计，特别是14-bit以上的ADC，逐次逼近型（SAR）、噪声整形（noise-shaping）、sigma-delta ADC是常采用的架构。SAR ADC因为其单次转换单个样本和不需要过多的后处理的特性更适合应用在指令驱动型ADC中[13-15]。相较于单级SAR ADC，两级SAR ADC广泛应用于高分辨率设计，与单级SAR ADC相比，两级SAR ADC对残余放大器（RA）施加了噪声要求。由第二级引入的输入参考噪声被RA衰减，从而降低了对第二级的精度要求。

本文提出了一种16-bit指令驱动型SAR ADC。它包括第一级ADC、第二级ADC、RA、SAR控制逻辑以及一次性校准电路。

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作者信息：

秦克凡，张昱晟，郑新月，马伟，胡伟波

（南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300350）

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