SAR ADC工作原理

SAR ADC有着电路结构简单的优势，其中的模拟模块只有采样开关和比较器，其余均为数字模块。这不仅使设计变得简单，更是与数字CMOS工艺有着非常好的兼容性。其工作原理也是十分简单，即采用二进制搜索算法对输入信号进行转换。

1.SAR ADC电路结构

​ 图1是一个差分输入的SAR ADC基本结构，其中VIN、VIP为模拟输入。电路主要由采样保持电路、比较器（CMP）、DA转换网络（DAC）、和逐次逼近逻辑（SAR Logic）四个部分构成。其中，采样保持电路由采样开关和采样电容构成（通常采样电容由DAC电容阵列实现），用于将输入模拟信号采样到采样电容上，用于后续的转换；比较器用来比较输入信号与参考信号的大小，输出“0”或“1”一方面用于控制电容阵列的切换，同时存入寄存器等待得到N位数字码后同时输出；DA转换网络是一组二进制权重的电容阵列，由比较器输出控制切换电容上/下极板上的电压，使参考信号以二进制的方式逐次逼近输入信号，此时输出的二进制码即为当前模拟输入对应的数字输出；SAR Logic能够锁存比较器的输出并最终输出N位二进制码。SAR ADC的结构简单，硬件成本低，研究人员也会将其与其他结构相结合以得到更优的性能，例如Pipelined-SAR ADC、单通道采用SAR ADC的时域交织ADC等。

图1 SAR ADC基本结构

2.SAR ADC工作原理

​ SAR ADC以“二分法”为核心原理，通过对模拟输入信号不断进行二分区间搜索，逐次逼近输入信号所在区间（区间宽度为1LSB），最终得到数字输出来等效模拟输入。对于一个单端输入的SAR ADC，采样到的模拟输入依次与VREF/2、VREF/2±VREF/4、VREF/2±VREF/4±VREF/8……进行比较。当输入信号大于参考电压，比较器输出“1”并且给参考电压加参考电压的一半；当输入信号小于参考电压，比较器输出“0”并且给参考电压减参考电压的一半。根据这种方式不断比较输出，直到结束。

​ 图2 逐次逼近过程示意图

​ 在实际电路中，为了减小噪声对电路的影响，通常采用全差分的电路结构。下面结合图1和图2具体说明SAR ADC的工作原理。首先是采样阶段，采样开关导通时输入VIP和VIN分别给两个充当采样电容的电容阵列充电，当采样开关关断，输入信号保持在采样电容上，为第一次比较做准备。比较阶段，当采样开关关断后时钟控制比较开始。第一次比较VIP和VIN的大小，以图2中以VCM-based开关时序为例，第一次比较时VIP大于VIN输出数字码B3=1，并且通过切换电容阵列上的开关使VIP减小VREF/4，VIN增大VREF/4。此时的输出码B3即为输出数字码的最高位，存储在SAR Logic中等待得到全部数字码后作为最终的输出。VIP和VIN切换后，进行第二次比较，VIP大于VIN输出数字码B2=1（次高位），使VIP减小VREF/8，VIN增大VREF/8。开关切换完成后进行第三次比较，此时VIP小于VIN则输出数字码B1=0，同时给VIP增大VREF/16，VIN减小VREF/16。以四位SAR ADC为例，第四次比较为最后一次比较，比较得到VIP大于VIN则输出B0=1作为最低位，最低位不需要对开关进行切换，得到数字输出码则代表着本次量化结束。