一种3位sar adc工作过程推导（二）

2021-03-21 本文已影响0人家琛的水笔

3位sar adc采用下图的电容阵列，需要2³个电容，它的基本单元有二进制加权的电容阵列、1个与LSB电容等值的电容；它利用电容上的初始电荷再分配完成二进制搜索算法，因此功耗一般比较小，而且不需要额外的采样保持电路¹。

上一篇文章《一种4位sar adc工作过程推导（二）》讨论了两个参考电压V_refP和V_refN取值的一般情况，可以通过改变电路的结构和开关时序逻辑来满足参考电压V_refP和V_refN取值的一般情况。

下面针对前文《一种3位sar adc工作过程推导》提出的3位sar adc的电路结构进行稍微修改,修改后的电路如下图：所有电容的正端（也称为上极板）与比较器的同相端连接，比较器反相端接V_refN，下面对其工作过程进行大致分析

3bit_adc原理图（二）

两个参考电压 $V_{refP}$ 和 $V_{refN}$ ， $V_{-}=V_{refN}$ ，假设 $\frac{5}{8}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}<V_{in}<\frac{6}{8}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$

分析过程：

step 0：采样阶段

3bit_adc采样阶段（二）

$\phi_{1}$ 开关闭合，比较器同相端都接V_in；同时让电容负端都接参考电压V_refP

电容上存储的电荷量 $Q=(V_{in}-V_{refP})\cdot8C$

比较器同相端电压 $V_{+}=V_{in}$

step 1：电荷再分配阶段（电压比较阶段）

3bit_adc_step1（二）

首先将开关 $\phi_{1}$ 断开，电容4C的负端接V_refN，其余电容保持接V_refP不变
根据电容上的电荷量相等，可得

$\begin{aligned} &(V_{+}-V_{refP})\cdot4C+(V_{+}-V_{refN})\cdot4C=(V_{in}-V_{refP})\cdot8C \end{aligned}$

$\Rightarrow V_{+}=V_{in}-\frac{1}{2}(V_{refP}-V_{refN})$

则
$\begin{aligned} V_{+}-V_{-}&=V_{in}-\frac{1}{2}(V_{refP}-V_{refN})-V_{refN}\\ &=V_{in}-[\frac{1}{2}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}] \end{aligned}$
第1次： $V_{in}$ 与 $\frac{1}{2}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$ 两者进行比较，则比较器输出为高电平，即最高位D₂=1

step 2：电荷再分配阶段（电压比较阶段）

3bit_adc_step2（二）

因为最高位D₂=1，所以电容2C的负端接V_refN；电容4C的负端保持接V_refN
根据电容上的电荷量相等，可得

$\begin{aligned} &(V_{+}-V_{refP})\cdot2C+(V_{+}-V_{refN})\cdot6C=(V_{in}-V_{refP})\cdot8C \end{aligned}$

$\Rightarrow V_{+}=V_{in}-\frac{3}{4}(V_{refP}-V_{refN})$

则
$\begin{aligned} V_{+}-V_{-}&=V_{in}-\frac{3}{4}(V_{refP}-V_{refN})\\ &=V_{in}-[\frac{3}{4}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}] \end{aligned}$
第2次： $V_{in}$ 与 $\frac{3}{4}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$ 两者进行比较，则比较器输出为低电平，即次高位D₁=0

step 3：电荷再分配阶段（电压比较阶段）

3bit_adc_step3（二）

因为最高位D₂=1且次高位D₁=0，所以电容C的负端接V_refN；电容2C的负端接V_refP，电容4C的负端保持接V_refN
根据电容上的电荷量相等，可得

$\begin{aligned} &(V_{+}-V_{refP})\cdot3C+(V_{+}-V_{refN})\cdot5C=(V_{in}-V_{refP})\cdot8C \end{aligned}$

$\Rightarrow V_{+}=V_{in}-\frac{5}{8}(V_{refP}-V_{refN})$

则
$\begin{aligned} V_{+}-V_{-}&=V_{in}-\frac{5}{8}(V_{refP}-V_{refN})\\ &=V_{in}-[\frac{5}{8}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}] \end{aligned}$
第3次： $V_{in}$ 与 $\frac{5}{8}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$ 两者进行比较，则比较器输出为高电平，即最低位D₀=1

所以3位sar adc输出数字码为D₂D₁D₀=101

小结

输入电压V_in首先与 $\frac{1}{2}(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$ 进行比较，然后根据比较器输出结果（0或1）来选择下一个参考电压进行比较，当输出为1，则与 $(\frac{1}{2}+\frac{1}{4})(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$ 进行比较；若输出为0，则与 $(\frac{1}{2}-\frac{1}{4})(V_{refP}-V_{refN})+V_{refN}$ 进行比较，。依次类推，比较器输出结果就可以等效地控制参考电压的改变。
当采样阶段结束后，断开开关 $\phi_{1}$ ，进入电荷再分配阶段，各个电容的负端（下极板）所接的电压值与比较器同相端电压 $V_{+}$ 的关系如下表，从表中可以看出大致规律。

C	C	2C	4C	$V_{+}$
$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{in}$
$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{in}-\frac{1}{8}(V_{refP}-V_{refN})$
$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{refP}$	$V_{in}-\frac{2}{8}(V_{refP}-V_{refN})$
$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{refN}$	$V_{refP}$	$V_{in}-\frac{3}{8}(V_{refP}-V_{refN})$
$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{in}-\frac{4}{8}(V_{refP}-V_{refN})$
$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{in}-\frac{5}{8}(V_{refP}-V_{refN})$
$V_{refP}$	$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{refN}$	$V_{in}-\frac{6}{8}(V_{refP}-V_{refN})$
$V_{refP}$	$V_{refN}$	$V_{refN}$	$V_{refN}$	$V_{in}-\frac{7}{8}(V_{refP}-V_{refN})$