丁兰 于志宏

摘 要：逐次逼近型模数转换器（successive approximation register analog-digital converter，SAR ADC）的电容阵列在比较过程中开关切换所产生的功耗是SAR ADC电路的主要能耗来源之一。为了降低电容阵列（DAC）的功耗，本文提出一种应用于低采样率低功耗的逐次逼近型模数转换器的高效低功耗开关策略。该开关策略采用Vref，GND，0.5Vref（Vcm），025Vref为电路的参考基准源。通过将最高位电容拆分为与次高位电容值相同的两个并联电容，同时将最高位电容预先连接低电平GND，其余位电容连接Vcm，使得在前三次比较过程中开关切换产生的功耗为0。仿真结果表明，相比较于传统的电容阵列DAC结构，本文提出的高位拆分的高效DAC电容阵列结构可以降低99%的能耗，节省75%的面积。

关键词：逐次逼近;模数转换器;电容阵列;低功耗

随着生活水平的提高，各种可穿戴的便携式移动设备逐渐应用到生理健康数据的监测[1-2]。SAR ADC由于电路结构简单、适用于低采样率的场合的特点，而被广泛地应用到生物监测的芯片中[3-4]。SAR ADC将人体收集到的模拟信号转换成可发送的数字信号，并通过智能设备发送到医疗终端，最终实现对人体生理数据的监测[5]。SAR ADC由电容阵列、比较器和逐次逼近控制逻辑三个部分组成。其中电容阵列由于在比较过程中开关的切换，会造成较大的功耗。近年来，国内外提出了不少針对电容阵列结构功耗的优化的结构和方法，主要包括单调型[6]、共模型[7]、Tri-level[8]、VMS[9]、Hybrid[10]等结构。与传统的开关策略相比，他们分别可以降低比较过程中开关消耗的功耗81.2%、87.5%、96.89%、97.66%和98.83%。为了进一步降低比较过程中电容阵列的功耗，延长智能设备的使用寿命，本文提出一种新型的高效电容阵列结构，并给出相应的开关策略，最后对该结构和开关能耗进行了分析。……