SAR（逐次逼近寄存器）型模数转换器（ADC）是一种中高速、中等精度的常见ADC架构，其设计需结合模拟电路与数字逻辑。以下是实现SAR ADC电路设计的关键步骤和要点：

1. SAR ADC系统架构

SAR ADC的核心模块包括：

• 采样保持电路（S&H）：对输入模拟信号进行采样并保持。
• 比较器：比较DAC输出与采样信号的差值。
• DAC（数模转换器）：反馈回路中将数字码转换为模拟电压。
• SAR逻辑控制器：逐次逼近算法控制，生成逐次逼近的数字码。

2. 设计步骤

(1) 确定系统参数

• 分辨率（如8/12/16位）：决定DAC精度和比较器灵敏度。
• 转换速度（如1 MSPS）：影响采样保持电路和比较器的建立时间。
• 功耗和面积：约束电路拓扑选择（如电容型DAC vs. 电阻型DAC）。

(2) 采样保持电路（S&H）设计

• 采样开关：选择低导通电阻的MOS开关，减少电荷注入效应。
• 保持电容：电容值需权衡噪声（大电容降噪）和速度（小电容更快建立）。
• 非理想因素：需考虑孔径抖动（jitter）和漏电流对精度的影响。

(3) 比较器设计

• 动态比较器（如锁存比较器）：适用于高速低功耗场景，但噪声敏感。
• 静态比较器（如预放大+锁存）：噪声抑制更好，但功耗较高。
• 失调校准：需设计校准电路（如自动归零）以消除比较器失调电压。

(4) DAC设计

• 电容型DAC（电荷再分配型）：
  • 二进制加权电容阵列（如12位需要C, 2C, 4C...）。
  • 优点：高精度、低静态功耗；缺点：电容面积大，需单位电容匹配。
  • 校准：可通过冗余电容或数字校准补偿失配。
• 电阻型DAC：适用于中低速场景，需考虑电阻梯线性度。

(5) SAR逻辑控制器

• 逐次逼近算法：
  • 从最高位（MSB）到最低位（LSB）逐位比较。
  • 每个时钟周期确定1位，转换时间=位数×时钟周期。
• 数字电路实现：
  • 状态机控制：生成逐次逼近码（如移位寄存器+逻辑门）。
  • 时序优化：需同步比较器输出与DAC更新时序，避免亚稳态。

(6) 时钟与同步

• 非交叠时钟：确保采样、比较和DAC更新阶段无冲突。
• 时序余量：为比较器建立和DAC稳定预留足够时间。

3. 关键设计考虑

• 噪声抑制：
  • 模拟电源与数字电源分离，避免串扰。
  • 采用差分结构降低共模噪声。
• 匹配性：
  • 电容/电阻需严格匹配（如共质心布局）。
  • 单位电容值需大于工艺失配极限（如单位电容≥1 fF）。
• 功耗优化：
  • 动态功耗：减少开关次数（如异步SAR逻辑）。
  • 静态功耗：选择低泄漏工艺或关断闲置模块。

4. 版图与后仿真

• 布局要点：
  • 模拟模块（比较器、DAC）远离数字模块（SAR逻辑）。
  • 对称布线以减少寄生失配。
• 后仿真验证：
  • 蒙特卡洛分析：检查工艺偏差对DNL/INL的影响。
  • 瞬态仿真：验证建立时间、比较器延时是否满足时序要求。

5. 测试与校准

• 静态测试：测量DNL（微分非线性）和INL（积分非线性）。
• 动态测试：评估ENOB（有效位数）和SFDR（无杂散动态范围）。
• 校准方法：
  • 前台校准：通过已知输入信号修正DAC失配。
  • 后台校准：动态插入校准周期，实时修正误差。

示例：12位电容型SAR ADC设计

1. DAC阵列：采用12位二进制加权电容，单位电容C=20 fF（满足匹配要求）。
2. 比较器：两级预放大+动态锁存，失调校准范围±50 mV。
3. SAR逻辑：异步控制，减少时钟周期浪费。
4. 采样速率：1 MSPS，时钟频率12 MHz（每转换周期12个时钟）。

通过以上步骤，可实现从系统级到电路级的SAR ADC设计，需结合具体工艺和指标进行优化。实际设计中，需反复迭代仿真（如Cadence Virtuoso）以验证性能。