荊蘇丹 吳朝燁

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450000）

逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器專利技術(shù)分析

荊蘇丹 吳朝燁

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450000）

逐次逼近（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是采樣率低于5Msps的中等至高分辨率應(yīng)用的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，具有中等精度、低功耗、低成本的ADC，占據(jù)了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本文介紹逐次逼近ADC的基本概念，并結(jié)合現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外專利，分析當(dāng)前逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)路線。

逐次逼近；模數(shù)轉(zhuǎn)換；ADC；比較器

1 逐次逼近ADC的基本概念

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器被越來(lái)越多地運(yùn)用在通信領(lǐng)域及數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，并逐漸向低功耗、高速度和高精度方向發(fā)展前進(jìn)。∑△A/D轉(zhuǎn)換器和Flash A/D轉(zhuǎn)換器，分別滿足高精度、高度兩個(gè)指標(biāo)。逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）具有低功耗、小尺度、中等精度等綜合優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用在數(shù)據(jù)/信號(hào)采集器、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、筆輸入量化器等領(lǐng)域［1］。

逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器也稱為二進(jìn)制搜索A/D轉(zhuǎn)換器，其用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬信號(hào)來(lái)近似輸入信號(hào)。逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器包括1個(gè)采用保持電路、1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和1個(gè)控制D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字處理器及比較器，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)SAR ADC完成一次轉(zhuǎn)換需要經(jīng)歷2個(gè)階段，第一個(gè)階段是采樣，一般需要第1個(gè)時(shí)鐘周期T，第2個(gè)階段是信號(hào)轉(zhuǎn)換，其中需要將采集到的模擬信號(hào)逐次轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

圖1 逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

2 逐次逼近ADC的發(fā)展?fàn)顩r

逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）的結(jié)構(gòu)最早是在1946年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.C.Schelleng提出的；而現(xiàn)在研究最多的電荷重分配則是由加州大學(xué)伯克利分校的J.Mc?Creary等在1970年提出的。雖然SAR ADC提出比較早，但發(fā)展卻比較慢。但是，當(dāng)市場(chǎng)對(duì)較低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要越來(lái)越大的時(shí)候，逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器才有了較大的改進(jìn)和發(fā)展。

2.1 異步SAR ADC

在比較器中進(jìn)行比較之后不等復(fù)位時(shí)鐘的到來(lái)，即刻進(jìn)行DAC的電荷重分配，這樣的好處是能夠更好地優(yōu)化比較器所花費(fèi)的時(shí)間。該異步SAR ADC，由于硬件成本較低，在2006年以后才有大規(guī)模的異步SAR ADC［2］。

2.2 流水式SAR ADC

這種SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的好處在于兼顧高度和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。該轉(zhuǎn)換器最早是在2002年被提出的。在2008年以后，開(kāi)始有大規(guī)模的改進(jìn)和發(fā)展。

2.3 多比特SAR ADC

這種SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠量化2個(gè)及以上的比特?cái)?shù)據(jù)，因此能夠成倍地加快量化速度。多比特SAR ADC開(kāi)始于1990年，而在2008年以后才有了較大的改進(jìn)。

2.4 低功耗SAR ADC

這種ADC的本身結(jié)構(gòu)決定了其低功耗的特性。該SAR ADC起源于1978年，同樣是在2008年以后在精度和功耗上有了較大改進(jìn)。

3 逐次逼近ADC技術(shù)重要申請(qǐng)人的技術(shù)路線

由于松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社在模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域重要的生產(chǎn)廠家，其技術(shù)走在該行業(yè)的前列，因此選擇松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社作為本領(lǐng)域的重要申請(qǐng)人，對(duì)其專利申請(qǐng)進(jìn)行梳理，分析其在逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的申請(qǐng)情況及技術(shù)發(fā)展路線。

專利申請(qǐng)（JP 2002374169A，20010613），提出了一種逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其中該專利申請(qǐng)減少電容器所對(duì)應(yīng)的第二模擬開(kāi)關(guān)中的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的較大加權(quán)，從而減少電容器的時(shí)間常數(shù)，以此來(lái)縮小各個(gè)電容器之間的時(shí)間常數(shù)。因此，其通過(guò)縮短電荷再分配所需的時(shí)間，從而來(lái)提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度。

然而，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠按照多個(gè)頻率來(lái)進(jìn)行操作時(shí)，首先要考慮高性能的比較器，從而實(shí)現(xiàn)高速度的正常操作。然后，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器以低頻率的時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行操作時(shí)，這時(shí)高性能比較器顯得比較浪費(fèi)，過(guò)度地增大了電流消耗。專利申請(qǐng)（JP2006310931 A，20050426）針對(duì)上述問(wèn)題，公開(kāi)了一種逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)用于停止基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的操作電路被提供時(shí)，能夠在采樣階段不需要供應(yīng)基準(zhǔn)電壓的時(shí)間間隔內(nèi)，停止基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，從而能夠極大減少電流消耗。

由于在以往的逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器中，由于控制電壓的切換使電荷從電源移動(dòng)到接地，因此難以降低逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器的功率消耗。專利申請(qǐng)（JP2011188240 A，20100309）提供了一種逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器，將電容陣列分割成上行電容陣列（n個(gè)電容陣列）和下行電容陣列（n個(gè)下行電容），并分別控制上行電容陣列及下行電容陣列。由此能夠降低電容式AD轉(zhuǎn)換器中的消耗功率，因此能夠降低逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器的消耗功率。

以往的技術(shù)中，逐次逼近型AD變換器取樣時(shí)鐘SCK及內(nèi)容時(shí)鐘ICK是基于具有比取樣時(shí)鐘SCK及內(nèi)部時(shí)鐘ICK的頻率高的高速時(shí)鐘而生成的。而且，由于存在有因PVT偏差（制造偏差、電源電壓偏差、溫度偏差）而導(dǎo)致比較時(shí)間及電荷再分配時(shí)間發(fā)生變動(dòng)的可能性，因此需在考慮比較時(shí)間及電荷再分配時(shí)間的最壞情形的基礎(chǔ)上設(shè)定取樣時(shí)鐘SCK及內(nèi)部時(shí)鐘ICK各自的高電平期間和低電平期間。因此，難以進(jìn)行取樣時(shí)鐘SCK及內(nèi)部時(shí)鐘ICK的高速化。專利申請(qǐng)（JP2011211371 A，20100329）針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)逐次逼近型AD變換器，能夠確保取樣時(shí)鐘的第1電壓電平期間，并能夠?qū)?nèi)部時(shí)鐘的n個(gè)第1電壓電平期間收納于取樣時(shí)鐘的第2電平電壓期間內(nèi)，并且能夠?qū)娜訒r(shí)鐘的第2電壓電平期間的各個(gè)中減去內(nèi)部時(shí)鐘的n個(gè)第1電壓電平期間后所獲得的剩余期間作為內(nèi)部時(shí)鐘的（n-1）個(gè)第2電壓電平期間而進(jìn)行大致均等地分配，能夠易于在內(nèi)部時(shí)鐘（n-1）個(gè)第2電壓電平期間的各個(gè)中確保電荷再分配時(shí)間。

由于在具備電容DAC的逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行電容的小型化，然而失配精度變差，不能生成正確的以二進(jìn)制比率加權(quán)的電容值，特別是與高位比特對(duì)應(yīng)的電容的相對(duì)精度變差，會(huì)給AD變換精度變差帶來(lái)較大的影響。雖然用大電容來(lái)改善失配精度，但電容的DAC的大電容化會(huì)招致AD變換器整體的面積變大及電力變高。針對(duì)上述問(wèn)題，專利申請(qǐng)（JP2013000513830A，20110803）提出了一種提高失配精度的逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器，主要通過(guò)補(bǔ)正高位冊(cè)DAC的電容失配，即使在比較器中存在偏置，也能補(bǔ)正高位側(cè)DAC與低位側(cè)DAC的加權(quán)誤差。因此，即使用小電容也能實(shí)現(xiàn)高精度的AD變換器。

從松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器專利申請(qǐng)歷程發(fā)現(xiàn)，該公司關(guān)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一些重要或高質(zhì)量的申請(qǐng)都在包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家申請(qǐng)專利，而且整體的發(fā)展方向都是面向低功耗和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

［1］孫彤.低功耗逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)［D］.北京：清華大學(xué)，2008.

［2］黃海.低壓、低功耗、高精度的逐次逼近型ADC設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

Analysis of Patent Technology of Successive Approximation ADC

Jing SudanWu Chaoye

（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Henan，Zhengzhou Henan 450000）

Successive approximation(SAR)analog to digital converter(ADC)is a common structure for medium to high resolution applications with a sampling rate of less than 5 Msps,ADC with medium precision,low power con?sumption and low cost has occupied a broad application market.This paper introduced the basic concept of the Suc?cessive approximation ADC,and analyzed the development situation and the technology route.

successive approximation；analog-to-digital；ADC；comparator

TN792

A

1003-5168（2017）02-0037-02

2017-01-17

荊蘇丹（1988-），女，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：程序設(shè)計(jì)與模數(shù)轉(zhuǎn)換；吳朝燁（1990-），女，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：程序設(shè)計(jì)與模數(shù)轉(zhuǎn)換（等同于第一作者）。