引言 

　　A／D转换器是模拟系统与数字系统接口的关键部件，长期以来一直被广泛应用于雷达、通信、电子对抗、声纳、卫星、导弹、测控系统、医疗、仪器仪表、图像和音频等领域。计算机和通信产、世的迅猛发展，进一步推动了A／D转换器在便携式设备上的应用并使其有了长足进步，A／D转换器正逐步向高速、高精度和低功耗的方向发展。

　　目前市场上占统治地位的A／D转换器主要是：逐次逼近式、∑-△式、流水线式。∑-△式可以实现很高的分辨率，流水线式可以保证很高的采样速率，这两种体系结构都是为了满足某种特定需求的纵向市场而设计的，而逐次逼近式A／D转换器在速度、精度、功耗和价格方面具有综合优势，因此本文串行输出A／D转换器采用逐次逼近式结构。

　　逐次逼近式A／D转换器是采样速率低于5 MSPS(百万次采样每秒)的中高分辨率应用的常见结构，其分辨率一般为8位～16位，具有低功耗、小尺寸等特点，因而具有较宽的应用范围，如便携式／电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据／信号采集器等。顾名思义，逐次逼近式A／D转换器实质上是实现二进制搜索算法，内部电路可以运行在几MHz，A／D转换器采样速率是该数值的分数，主要由逐次逼近算法确定。

　　本文基于上华0.6μm BiCMOS工艺设计了一个8通道12位串行输出A／D转换器，其核心电路采用逐次逼近式结构，并在总结改进传统结构的基础上，采用电压定标和电荷定标的复合式D／A转换器结构，这种“5+4+3”分段式复合结构既避免了大电容引入的匹配性问题，而且电阻的引入减小了电路本身的线性误差；比较器的实现采用多级级联的放大器结构，降低了没计复杂度。最后，基于CSMC 0.6μm BiCMOS工艺实现了整体版图设计。

1 系统结构及电路实现

　　逐次逼近式A／D转换器结构电路如图1所示，主要由采样保持电路、比较器、D／A转换器、逐次逼近寄存器和逻辑控制单元5部分组成。

　　转换中的逐次逼近是按对分原理，由控制逻辑电路完成的。其工作过程如下：启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其他位置0，将其存储到逐次逼近寄存器，然后经D／A转换后得到约为满量程输出一半的电压值。这个电压值在比较器中与输入信号进行比较。比较器的输出反馈到D／A转换器，并在下一次比较前对其进行修正。即输入信号的取样值与D／A转换器的初始输出值相减，余差被比较器量化，量化值再来指导控制逻辑是增加还是减少D／A转换器的输出；然后，这个新的D／A转换器输出值再次从输入取样值中被减去，不断重复这个过程，直至其精度达到要求为止。由此可见，这种数据的转变始终处于逻辑控制电路的时钟驱动下，逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作，直到完成LSB(最低有效位)的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定，逐次逼近转换完成。

　　由于本次设计针对是串行的多路通道转换技术，所以在逐次逼近式A／D转换器基本结构的基础上，在模拟输入前端加入多路复用模块，并在输出后端加入并串转换电路。

　　为实现信号的快速精确转换，逐次逼近式A／D转换器中重要部件是采样保持电路、比较器和D／A转换器。等效输入电路如图3所示。

　　在数据获取期间，被选信道作为输入给电容C保持充电，获取时间结束后，T／H开关打开，电荷维持在C保持上作为信号样本，与D／A转换中产生的模拟信号进行比较，将比较结果输人输出寄存器，在三态总线控制下串行输出最后数字位。其中比较器的实现采用三级放大器级联结构，这样就降低了比较器的设计要求，减小了设计难度，提高了电路性能。下面介绍D／A转换器的设计与实现。

　　逐次逼近式A／D转换器的速度和分辨率主要受反馈电路中D／A转换器的速度、分辨率和线性的限制，精确设计D／A转换器是本设计的重点和关键。传统的逐次逼近式A／D转换器大多采用简单的电阻分压式或电容电荷型结构来实现。电阻分压式的转换器只需要用一种电阻，容易保证制造精度，即使电阻出现较大的误差，也不会出现非单调性，这是它的优点。但是，对n位二进制输入的这种结构的D／A转换器来说，需要2n个分压电阻以及同样数量的模拟开关，所以随着位数的增加，其所需元器件的数量会呈几何级数增加，这是它的缺点。这种结构单独用做一个D／A转换器的情况比较少见，但是它却在逐次逼近式A／D转换器中常用到，尤其在位数低于8位时。电容电荷式D／A转换器的优点是精度较高，但是存在面积大、对寄生电容敏感等缺点，而且还需要两相时钟，增加了设计制造的复杂度。

　　传统D／A转换器电路在设计时考虑的是单一形式的电路结构，但在本设计中充分利用电阻单调性好、电容精度高的优点，避开电阻型所需开关数多及电容面积大的不利因素，因此本电路D／A转换器的实现采用复合结构，如图4所示。

　　由于本芯片是一个12位精度的A／D转换器，要求D／A转换器也要达到12位精度，而且对于位数较高的转换器，从芯片面积和性能方面综合考虑，组合结构较单一结构优势显著，因而转换结构采用5+3+4复合结构实现，其中高5位MSB(最高有效位)采用电容网络实现，中间3位采用电阻网络，而低4位LSB仍用电容网络实现，这样设计避免了在不同结构实现上的不足，结合其各自优缺点，较好地实现电路性能。此D／A转换器的优点是具有一定的单调性，因为电阻串本质上是单调的，而且3个数字位只有一种阻值的电阻，不存在电阻失配问题。电阻串不需要预充电，转换速度比电容阵列的转换速度快，但芯片占用面积较大；电容网络最多只需满足5位电容比的精度要求便可实现12位转换。所以在总数中分配每段位数时，在芯片面积和转换速度之间进行折中考虑。

　　单独对D／A转换器进行仿真得到的结果曲线。

　　全部12位数字位的模拟输出波形图，图6为(00…0)到(11…1)跳变时的波形图，建立时间仅为12 ns。

2 设计结果

　　根据电路功能及指标要求，在Cadence环境下用HSPICE对电路进行仿真。通过控制逻辑的精确控制，对选择8通道中任　一通道都能够实现12位准确转换，图7为选择第8通道对2.5 V电压进行转换的输出波形，实现了模拟信号到数字信号的正确转换。

　　最后，基于CSMC 0.6μm BiCMOS工艺完成了版图设计，面积为2.5×2.2 mm2，如图8所示。

　　最后设计的12位A／D转换器的特性如下：分辨率为12位；转换时间为7.5μs；零点误差为<±2LSB；增益误差为<±2LSB；线性误差为<±1 LSB；模拟输入电压为0～4.096 V；工作温度范围为-55℃～125℃。仿真条件为VDD=5.0 V，VSS=0V，Vref=4.096 V，Vagnd=0 V。

3 结束语

　　本文基于CSMC 0.6μm BiCMOS工艺设计实现了一个12位串行输出的A／D转换器，采用电压定标和电荷定标组合式D／A转换器技术，比较器的实现采用多级级联放大器形式，通过合理的时序控制，实现了较好的性能，转换速率为7.5μs，正常工作电流2.8 mA，增益误差小于2 LSB，线性误差小于1 LSB，最后版图面积为2.5×2.2 mm2，此转换器对于消费电子、汽车电子及便携式产品等方面应用是具有较好性价比的选择。