【学习笔记】传感器技术（3）：传感器系统的高精度Hybrid ADC的研究与设计
2015年电子技术应用第12期
作者：杜 微，李荣宽
摘 要： 介绍了一种应用于传感器检测系统的高精度Hybrid ADC，此系统是基于双积分ADC与SAR ADC的混合结构。详细描述了此结构提出的理论基础、电路的具体结构，并基于此结构设计了一款16位Hybrid ADC，此系统的时钟频率为25 MHz，输入电压范围为0.5 V~4.5 V，电源电压为5 V。仿真结果显示，此结构的16位ADC的信噪比达到90 dB，有效位数可达到15位，而且仅用了28个时钟周期实现了16位ADC的转换，此结构既有双积分ADC的高分辨率的特点，还部分继承了SAR ADC的速度优势。
0 引言
传感器检测系统大量应用于低速、精密测量等领域，如现有的工业、民用仪器仪表中，在如此精密的系统中需要一种高精度、低功耗、低成本的模数转换器将未知的模拟信号转换为已知的数字信号[1]。一般的传感器检测系统如图1所示，传感器感受外界微弱的模拟信号，然后经过放大器放大后进入高精度的A/D转换器系统，转换后得到的数字信号由后续的数字系统处理。此系统中最常用的模数转换器有Sigma-Delta ADC和Dual slope ADC，前者的精度很高(最高可达到24位)[2]，但是功耗和成本也相对较高，Dual slope ADC 分辨率也很高，传统结构可达到22位，而且还具有功耗低、成本低等特点。但是高精度时转换时间过长，且积分电路需要依赖大的分布电容[3]。本文的hybrid ADC不仅可以达到很高的分辨率，还借助SAR ADC的结构改善了双积分ADC的转换速度，同时也减小了对分布电容的依赖性。
1 基本原理
此Hybrid ADC系统结合了SAR ADC和双积分ADC各自的结构优势。它的实质是基于Two Step ADC的转换原理，一个基本的n+m位奈奎斯特ADC的转换过程可以用数学公式表示为：
由式(2)可以看出此n+m位ADC的转换公式可以拆分成两个A/D转换公式，一个n位主ADC的转换公式为：
其中Vin是整个系统的未知输入电压，Vref是整个系统的参考电压。另一个m位子ADC的转换公式为：
其中，Vin1为n位主ADC转换后的电压残差，而此时m位子ADC的参考电压为：
此Hybrid ADC的n位主ADC采用改进的双积分结构，m位子ADC采用SAR ADC的结构。系统开始工作时先进行n位双积分ADC的转换，将转换完成后的残差电压作为m位SAR ADC的未知输入信号。整个过程等效实现了n+m位的转换。
系统中的m位SAR ADC系统结构如图2所示，其中C是单位电容，最右端的电容为终端匹配电容。第一个工作过程为采样模式：此时电容阵列的上极板通过开关k1连接模拟地（Vcm），下极板连接输入电压Vin；第二个工作过程为保持模式：此时k1断开，电容阵列的下极板全部接地；第三个过程为转换模式：此时除终端匹配电容外的所有电容受到SAR逻辑控制，从最高位MSB开始，每一位分别连接至Vref实现对模拟电压的逼近。
采用此结构的优势在于：通过逻辑控制SAR ADC的电容阵列，可以提取出n位双积分ADC转换的电压残差。在SAR ADC的转换模式完成后，将终端电容下极板连接到Vref，其余所有电容的下极板连接到地。此时简化的等效电路如图3所示，此电路可以容易地提取出电压残差。
由基本的电容串联分压理论求得：
DAC电容阵列的上下极板的电荷守恒可以得到：
而V1就是n位双积分ADC转换后的电压残差Vin1，此电压恰好可以作为m位SAR ADC的输入信号。
2 系统结构
基于以上原理，设计了一款16位Hybrid ADC，其中8位双积分ADC作为主ADC，8位 SAR ADC作为子ADC。系统框图如图4所示，主要由双积分模块、SAR ADC、锁存器、数字控制逻辑几部分组成。
整个16位Hybrid ADC的转换分为两个过程。首先，输入信号先通过双积分ADC进行转换，此过程与传统的双积分ADC的工作过程相似。转换完成后，通过锁存器将得到的8位二进制码存储起来；然后，通过数字逻辑控制电容阵列，进行电压残差的提取；最后，将提取出的电压残差作为8位SAR ADC的输入信号再进行转换，整个过程仅用了8位积分式ADC的转换时间，而等效实现了16位ADC的转换。
相对于现有的几种ADC，此结构的创新之处有：
(1)部分采用了双积分ADC和SAR ADC的结构，利用各自的优点来弥补对方的不足。
(2)由于采用了多路复用的工作方式，对于电压残差的提取仅通过简单的数字控制逻辑而得到，没有明显增加电路的复杂度。
3 电路设计
如果n位双积分ADC转换后的残差电压比较小，后续的比较器可能无法分辨[3]，这会直接导致m位SAR ADC转换失败。为了解决这个问题，本系统对传统的双积分结构进行了改进，引入了自动补偿电路，如图5所示，通过开关控制有效积分电阻和电容的值，从而改变积分的时间常数。如果输入信号电压Vin比较小，此时开关S1、S3受数字逻辑控制而闭合，电阻R1与R2并联，电容C1与C2串联，这将导致等效积分电阻、电容的值减小，所以积分器的增益1/RC增大，输出信号幅度从新变大，减小了比较器分辨力的设计压力，也保证了后续的SAR ADC能够正常工作。
整个系统中的运放采用了高增益的折叠共源共栅结构，因为此Hybrid ADC要求能够处理0.5 V～4.5 V的输入信号，这就要求运放的输入共模范围大于4 V，为了增大输入共模范围，选择了轨到轨运放的结构[6]，具体实现电路如图6所示。在0.25 μm工艺下，对此运放进行仿真，其增益和相位曲线如图7所示，由图可知运放的增益达到118 dB，相位裕度大于70°，单位增益带宽达到100 MB。
4 系统仿真结果
在0.25 μm工艺下，对搭建的16位Hybrid ADC系统进行瞬态仿真，系统时钟频率为25 MHz，输入信号频率为5 kHz时，将此16(m=n=8)位ADC的输出数字信号导入到MATLAB中进行FFT运算，结果如图8所示，信噪比SNR可达到90 dB，有效位数约为15位，其中的误差主要来自于数字控制逻辑。若采用n=11位主ADC，m=11位子ADC 的结构，此Hybrid ADC的有效位数可以达到20 bit的精度，不过随着位数的增高，仿真需要大量的时间。
相对于现有的几种ADC，此Hybrid ADC具有以下优点：(1)由于部分采用了积分式ADC的结构，使得此Hybrid ADC能达到更高的分辨率，而且减小了积分式ADC对大积分电容的依赖性。(2)由于部分采用了SAR ADC的结构，使得此ADC的转换速率远远快于传统的积分式ADC。(3)此系统采用了复用的工作模式，从而使得芯片的功耗不会明显增大。
5 结论
此Hybrid ADC系统采用了两步转换的工作方式，结合了双积分ADC和SAR ADC的结构优势，不仅使得分辨率得以提高，而且转换速率也比积分式ADC提高很多；同时系统中还引入了自动补偿的方法对传统结构进行改进，从根本上改善了传统的双积分ADC需要大的分布电容的缺点。值得一提的是此系统由于采用了复用技术，所以将会继续保持低功耗的优势。此系统的缺点是数字控制逻辑比传统方法更复杂，且占据的芯片面积要有所增加，所以如何找到一种简洁有效的控制方法至关重要。此系统结构将更加适合于低速、精密测量等领域。
参考文献
[1] Razavi B.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，等，译.西安：西安交通大学出版社，2001.
[2] ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS analog circuit design[M].Second edition.Oxford University，2002.
[3] JOHNS D A，MARTIN K.Analog integrated circuit design[M].New York：iley，1997.
[4] BAKER R J.CMOS circuit design，layout and simulation[M].3rd Edition.John Wiley & Sons，Inc，2010.
[5] 罗刚.基于双积分原理的ADC设计[D].成都：电子科技大学，2009.
[6] 赵天挺.一种CMOS 12-bit 125ksps全差分SAR ADC[D].天津：南开大学，2004.