低功耗快速采樣的解決方案

盡管數(shù)字技術(shù)占主導地位，但我們生活在一個模擬世界中。在域之間移動會引入量化誤差；這是不可避免的。工程師的工作是使這種轉(zhuǎn)換盡可能無縫，這就是 ADC 和 DAC 的用武之地。

模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC） 可以采用多種形式并有許多折衷方案。從根本上說，關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)是準確性和速度。更復雜的是，這兩個參數(shù)通常是相反的。更高的精度需要更多的位，但增加更多的位會降低采樣率。更快的轉(zhuǎn)換通常以有效位數(shù)為代價。廣義而言，選擇是通過 Delta-Sigma 轉(zhuǎn)換拓撲（高分辨率、長延遲）或閃存轉(zhuǎn)換器（高速，但以功耗和面積為代價）。位于這兩個極端之間的是逐次逼近寄存器或 SAR 轉(zhuǎn)換器。這種“金發(fā)姑娘”技術(shù)在分辨率和速度之間提供了一個很好的折衷方案，但它也有其局限性。

一般來說，SAR 轉(zhuǎn)換器是無線通信中使用的模擬前端 （AFE） 的不錯選擇，這要歸功于它們兼具準確性和速度。隨著物聯(lián)網(wǎng)的范圍從核心進一步延伸，將邊緣永遠向外推，對能夠以更高頻率（因此更高采樣率）處理更復雜協(xié)議但功耗更低的 AFE 的需求不斷增長。讓我們不要將此稱為問題，而是將其稱為機會，在無線連接需要放入小到足以戴在耳朵里的東西中的時代，找到一種能夠?qū)崿F(xiàn)更小、更快和更低功耗的 AFE 的技術(shù)，并且有可能成為由從其操作環(huán)境中收集的能量提供動力。

特區(qū)的一點背景

顧名思義，SAR 通過連續(xù)逼近模擬輸入的值來運行，迭代地將輸入電壓與重復減半的參考電壓進行比較，直到參考電壓和源之間的差異無法區(qū)分或滿足設計要求。每次比較都會產(chǎn)生一個“更高”或“更低”的結(jié)果，在數(shù)字輸出中形成一個位，從最高有效位開始。這種情況一直持續(xù)到轉(zhuǎn)換器以足夠的精度生成足夠的位來表示模擬輸入。

圖 1：3 位 SAR ADC 示例

由于所有步驟都需要在采樣周期內(nèi)完成，因此可能的位數(shù)主要取決于電路中需要更改的元件的響應時間。這包括用于與輸入電壓（通常存儲在包含開關(guān)和電容器的采樣保持電路中）進行比較的參考電壓。反過來，該參考電壓（通常）由數(shù)模轉(zhuǎn)換器或 DAC 生成。因此，SAR 轉(zhuǎn)換器的采樣率將在一定程度上由用于生成參考電壓的 DAC 和控制邏輯決定，但通常 SAR 性能實際上受到比較器速度的限制。輸入端的開關(guān)電容實際上是一個低通濾波器，它引入了一個上限頻率閾值，但由于開關(guān)電阻低且電容小，這意味著轉(zhuǎn)換器通?？梢蕴幚頂?shù)百 MHz 或更高的信號；特區(qū)的另一個積極特征。

就整體精度而不僅僅是分辨率而言，重要的是生成供 DAC 使用的參考電壓（而不是 DAC 生成的用于比較器的電壓）也要盡可能準確，因為所有其他測量都與這個。盡可能多地集成整個解決方案的 SAR，包括開關(guān)電容器 S&H 和 DAC 參考電壓發(fā)生器，將提供最佳性能。

克服 SAR 轉(zhuǎn)換器的限制

流水線 ADC 具有多個階段，每個階段都處理部分轉(zhuǎn)換過程。隨著每個階段完成其操作，它可以自由地接受下一個樣本。流水線 ADC 的主要優(yōu)勢之一是它的速度。一旦管道完全準備好，它就可以隨著新樣本“推動”數(shù)據(jù)而產(chǎn)生新的輸出。雖然 SAR 的架構(gòu)通?；诙啻问褂玫膯渭?，但流水線轉(zhuǎn)換器使用并行性來加快速度。

將 SAR 和流水線方法相結(jié)合產(chǎn)生了所謂的 SAR 輔助流水線 ADC。Adesto 的工程師已經(jīng)實施了這種方法來創(chuàng)建一個 ADC，該 ADC 可以在高帶寬下以最高速度和精度運行，但需要最小的功率和面積。

Adesto 開發(fā)的轉(zhuǎn)換器使用兩個 SAR 級；第一階段處理輸出的最高有效位，而第二階段處理最低有效位。通過添加一個數(shù)字模塊來處理定時和校正（參見圖 2），SAR 輔助流水線轉(zhuǎn)換器可以在不到同類 SAR 轉(zhuǎn)換器一半的時間內(nèi)生成結(jié)果，而不會產(chǎn)生與傳統(tǒng)流水線 ADC（包括物理尺寸和功耗）。

圖 2：SAR 輔助流水線 ADC 架構(gòu)

簡單來說，只要第一個 SAR 階段完成轉(zhuǎn)換，它就可以接受一個新樣本，而第二個 SAR 階段完成第一個樣本的轉(zhuǎn)換。級之間放大器的增益放寬了對第二個 SAR 的要求，從而產(chǎn)生了比 SAR 本身更節(jié)能的解決方案。

圖 3 顯示了 Adesto 的 SAR 輔助管道 ADC 的框圖。

圖 3：Adesto 的單通道 SAR 輔助管道 ADC

如圖 3 所示，Adesto 開發(fā)的 IP 包含所有關(guān)鍵功能，包括參考電壓發(fā)生器、定時和控制邏輯、數(shù)字校準以及去耦電容器。對所有模擬模塊使用深 n 阱技術(shù)可提供對襯底噪聲的抗擾度，當客戶在可能沒有專用模擬電源可用的設計中授權(quán)使用 IP 時，這一點尤為重要。該設計真正全面，因為它不需要外部電壓基準或穩(wěn)壓器。

相同的內(nèi)核 IP 已用于開發(fā)針對正交 I/Q 調(diào)制架構(gòu)的雙通道解決方案（圖 4）?？梢钥闯觯恍┕δ芸梢栽趦蓚€通道之間共享，同時包括單獨的參考緩沖器和時鐘樹，以最大限度地減少通道之間的串擾。

圖 4：Adesto 的雙通道 SAR 輔助管道 ADC

這種方法提供的主要優(yōu)勢之一是其低功耗運行。Adesto 部署在現(xiàn)已上市的批量 IP 中，包括采用 28nm 工藝的雙通道解決方案，在每個通道上提供 160Msamples/s，總功耗僅為 18mW。該 ADC 的總芯片面積僅為 0.055mm2，因此具有極高的面積效率。盡管具有這種集成度，但它可以提供 63.1dB 的 SNDR，并且通道之間的串擾低于 -80.0dB。

同一轉(zhuǎn)換器的八通道版本可以同時處理四個 I/Q 通道，以 122.88Msamples/s 的速度運行，同時仍僅耗散 45mW。它的有效位數(shù) （ENOB） 為 10.2 位，但仍只需要 0.3 平方毫米的芯片面積。Adesto 還可以提供 12 位 SAR 輔助流水線 ADC，在僅 0.05mm2 的裸片面積上實現(xiàn) 200Msamples/s 的采樣率、10mW 的功耗。

AFE 嚴重依賴 ADC 的性能，而不起眼的 SAR 是工程師可用的最可靠和最通用的架構(gòu)之一。這只是 Adesto 提供的 IP 的一個示例，該 IP 已經(jīng)過優(yōu)化以滿足最新應用程序的需求。

審核編輯：郭婷