屏蔽ADC网络可以帮助避免噪声耦合 有助于提高性能

逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）通常用于需要中到高分辨率的应用中。 SAR ADC的主要优点是高性能，低功耗和小芯片面积。

为了减小芯片面积，使用分离电容DAC阵列。该架构如图1所示。分离电容阵列既可用作DAC，也可用作采样保持电路。衰减器电容器C a用于将阵列分成两个子阵列。在采样阶段之后，阵列输出端的输出电压为V in - V ref ，其中V in是ADC输入电压，V ref 是参考电压。在近似阶段期间，输出电压达到V ref + V qe 的值，其中V qe 是量化误差。导致该值的DAC输入是转换结果。但是有一些误差源必须最小化。

图1：分离电容SAR ADC

2。误差来源

2.1寄生电容

在DAC的每个电容上阵列，上板和下板都有一些寄生帽。下板上的寄生电容对于SNR计算并不重要，因为它在逐次逼近过程中不参与电荷共享。寄生帽的价值取决于各种因素，如布局，制造工艺等;加上它随着死亡而变化。

图2：寄生帽

2.2电容不匹配

不可能在芯片上制作精确值的电容。与Parasitics一样，不匹配也取决于布局和制造过程。图3显示了两个电容，第二个电容应具有第一个双倍值，但其值随delta变化。通过适当的布局，可以实现低至0.1％的delta值。

图3：不匹配

2.3来自附近网络的耦合

如果输入或参考电压的相邻网络正在切换，那么它们可以耦合噪声。图4显示了输入正弦波;在放大的快照中可以看到与附近网络的正弦波耦合的噪声。

图4：输入噪声

3。分析

为了研究各种因素对ADC信噪比的影响，采用了行为模型[2]。在每次模拟中，取出1024个正弦波样本并将其转换为12位数字值，然后计算SNR。进行了1000次这些模拟，最后得到了所有SNR值的RMS值。

DAC的输出电压可按如下方式计算：

其中C sumL是阵列的LSB一半的总电容，C sumM是MSB一半阵列的总电容。 N是DAC使用的位数， C 0是单位电容值， 等于阵列MSB一半的相应DAC位。

运行SAR算法进行转换，上面的方程用于通过切换找到V out 从MSB到LSB的逐位比特。

3.1寄生电容对SNR的影响

随机值（介于0之间）在每次模拟中产生每个电容器的寄生电容的最大值（％）。进行1000次这样的模拟，最后计算SNR的RMS值。图5显示了SNR随寄生效应的变化，表中寄生值是寄生电容的最大可能值。我们可以看到只有0.2％的寄生电容可以导致6dB的SNR下降。

图5：SNR与寄生效应

3.2不匹配的影响

这里也针对不同的最大不匹配值，为每个电容器生成随机值，然后转换完成。完成1000次这样的转换，最后计算SNR的RMS值。电容之间0.1％的不匹配会使SNR降低3.2 dB。

图6：SNR与失配

3.3耦合的影响

这里我们得到噪声的随机值（从0到最大值），它被加到输入信号值上。对于每次转换，有1024个样本，因此每次转换都会添加1024个不同的噪声值，并完成1000次转换，然后计算SNR的RMS值。

图7：SNR与输入噪声

4。结论

上述分析表明，附近网络耦合的电容，寄生电容或噪声之间的小的不匹配会如何降低SAR ADC的性能。这种高灵敏度使得必须在布局阶段正确匹配电容器，并在片上SAR算法中使用各种校准技术来提高其性能。屏蔽ADC网络可以帮助避免噪声耦合，这将再次有助于提高性能。