【学术论文】用于SAR ADC的片上多模式基准电压产生电路的设计
针对工业物联网等应用场景中ADC的供电电压范围宽、功耗要求苛刻等问题，提出了一种配置灵活、低功耗、低噪声的片上基准电压产生电路，为ADC提供与电源无关满量程电压。该电路在电源电压为2.65 V~3.6 V时提供2.5 V参考电压，电源电压为2.2 V~3.6 V时提供1.5 V的参考电压。该电路可以配置成片外电容模式，关闭缓冲器电路，降低整体的功率；还可以配置成内部缓冲器模式，减小基准电压产生电路的建立时间，从而降低ADC单次采样消耗的能量。芯片测试结果表明，该方案能够满足ADC在各种应用条件下的精度和速度需求。
0 引言
随着工业物联网的发展，人们需要处理更多自然界中的信号。自然界中声、光、电等模拟信号需要经过模拟-数字转换器(Analog-Digital Convertor，ADC)转换成数字信号才能被数字系统进一步处理。
逐次逼近(Successive Approximation Register，SAR)型ADC因其低电源压、低功耗、与数字电路兼容性好的优点，在传感器、物联网等中等精度(10 bit～12 bit)、中等速度(50 ks/s～200 ks/s)领域应用广泛。
主流的SAR ADC一般通过电容的电荷分享的原理实现SAR逻辑的算法，电容型SAR ADC的优点是：电容阵列没有静态功耗，利于低功耗设计；电容的匹配性较好，精度接近12 bit。
电容型SAR ADC需要一个有驱动能力的缓冲器为电容阵列提供一个参考电压。这个参考电压作为ADC的满量程电压，需要有较高的精度，保证ADC的满量程不随时间、电源电压变化；SAR ADC电容切换后，参考电压需要能快速恢复，因此，参考电路还需要有驱动能力。在传统的设计中，这样一个参考电压产生电路需功耗很大，有时甚至超过SAR ADC本身的功耗。
本文提出了一种可以根据应用场景灵活使用的参考电压产生电路(Reference Voltage Generator，RVG)。根据ADC的使用方式，选择电压基准电路的使用方式，可以在保证性能的前提下，兼具电源电压低、功耗低、应用灵活的优点。
1 SAR ADC基本原理
图1所示为电荷型SAR ADC的基本架构[1]。SAR ADC的基本结构包含一个比较器、一个数字模拟转换器(Digital-Analog Convertor，DAC)和一个逐次逼近控制器(SAR Logic)。DAC采用电荷按比例缩放的结构，通过比例电容的切换实现将输入信号与基准电压VREF进行比较。对于一个N bit分辨率的ADC，最后的数字输出用模拟量表示为：
其中，BN-1，BN-2，…，B0为N bit ADC量化后的数字输出结果。
其中VREF是ADC的满量程参考电压，当ADC的电容阵列切换时，会对VREF造成扰动，但下一次切换时，需要VREF恢复。因此，RVG电路需要有较大带宽，并能提供大瞬态电流。目前的商用芯片中，有些芯片需要将VREF直接连接到电源电压上，如意法半导体的STM32芯片[2]，但是其缺点是ADC的满量程电压与电源电压相关，不适用于电源电压有较大波动的场景；有些芯片集成了内部参考电压产生电路，可以产生出与电源电压无关的参考电压，但是没有驱动能力，需要外接片外电容，启动时间接近20 ms，如TI公司的MSP430[3]芯片；有些芯片中集成有内部参考电压产生电路和缓冲器电路，但功耗很大，如NXP公司的KL17[4]，ADC使用时，最大功耗高达1.7 mA。
本文提出了一种可以根据应用场景灵活选择工作模式的片上RVG电路。
2 RVG电路原理
本文提出的ADC如图2所示，芯片内部集成RVG电路。RVG电路包含：带有斩波（chopper）功能的带隙基准电路[5]；可以提供1.5 V或2.5 V输出电压的电压倍增电路；低通滤波器电路；带有驱动能力的缓冲器（buffer）电路；模式选择开关；电荷泄放开关M1；滤波与防闩锁(latch up)电阻R1和R2；RB和LB是对Banding线的建模；C1是片外电容，大小定为10 μF。
在工业物联网的应用中，芯片的供电方式多样，例如，电池供电、50 Hz交流电网取电等，如图3所示。
灵活的供电方式增强了芯片的适应能力，但同时给芯片设计带来很大挑战。在互感器供电中，电源电压会有10%的波动，需要电路有较好的电源抑制比；电池供电中，需要ADC在低至2.2 V的电源电压下可以工作。
为了使ADC有较高的精度、较大的输入范围，希望ADC的参考电压尽量大。在一些供电比较稳定的应用中，例如电源电压保持在2.65 V~3.6 V以内，用户可以选择2.5 V模式为ADC提供参考电压；在电源变化范围较大的应用中，如电源电压会在2.2 V~3.6 V之间波动，用户可以选择1.5 V参考电压，虽然会降低了ADC的精度，但是保证了ADC在低电源电压下功能正常。
电压倍增电路的结构如图4所示，电压选择开关控制电阻R3是否接入电路。
当V_SEL=1时，R3被短路
此时输出电压为1.5 V。当V_SEL=0时，R3接入电路，R3=R1，此时电压倍增电路的输出电压为2.5 V。
3 SAR ADC工作方式
在传感器和工业物联网中，SAR ADC一般集成在MCU中使用，根据应用场景的变化，整个MCU会在电池供电或电网取电的模式下工作，在不同场景下，ADC的工作模式不同，例如单点采样的工作方式、连续采样的工作方式。芯片对功耗的要求也不同，有对能量消耗严格的场景，如电池供电；有对功率要求的场景，如连续采样或使用线圈耦合供电。采用本文提供的RVG电路，通过合理地选择工作模式，可以分别在单次采样应用和连续采样应用中实现低功耗。
3.1 能量高效率应用模式
如果应用中对采样频率要求较低，例如，间隔1 s采集环境的温度，ADC会采用单次采样的模式，使能后进行一次采样，立即关闭ADC的使能，进入关断模式，等待下一次采样。
单次采样应用模式如图5所示，ADC消耗的电荷不仅取决于ADC开启时的电流，还取决于ADC完成一次转换的时间。如图5所示，ADC1（网状曲线）开启时功率较大，ADC2（斜线曲线）开启时功率较小，假设ADC1的功率P1是ADC2的功率P2的两倍，P1=2×P2，但ADC1采样一次的时间为ADC2的0.1倍，即T1=0.1×T2。
ADC消耗的能量为E=P×T，所以E1=0.2×E2。
即虽然ADC1的功率较大，但是在单点采样的工作方式下，消耗的能量仅为ADC2的1/5。
使用内部buffer时，如图6所示，阴影中的电路处于关断状态。低通滤波器消除了带隙基准电路的纹波，限制前面电路的噪声；ADC中切换电容时造成的纹波，依靠缓冲器的环路稳定，因此，这种组态下，缓冲器的带宽要求较高，功率很大。但是，使用内部buffer时，没有大电容，整个电路的建立较快（<1 ms），相比于市场上使用片外电容的芯片接近20 ms的建立时间，建立时间缩短，一次采样消耗的总能量减小。
仿真和测试结果表明，VREF可以在1 ms以内建立到ADC的1/2 LSB以内。
3.2 功率高效率应用模式
当芯片频繁使用连续采样时，对芯片的功率要求严格，可以配置成片外电容模式，ADC切换电容阵列时，片外电容为电容阵列提供瞬态电流。另外，大片外电容C1与R1同时构成了低通滤波器，可以滤除带隙基准电路的chopper纹波和噪声。这种应用方式，由于不需要开启缓冲器，其功率较小；但是，由于每次开启都需要给片外大电容充电，因此，其建立时间很长(<10 ms)。但RVG电路建立好后，可不再关闭，ADC可以连续运行。
在使用片外电容的工作方式时，当电压倍增电路从2.5 V模式向1.5 V模式切换时，需要进行电荷的泄放：
传统设计中电荷只能通过图4中所示的电阻串流过，为了降低静态功耗，电阻串的电流设计为10 μA，要将10 μC的电荷泄放，需要长达1 s的时间。因此，在使用片外电容的应用方式中，当切换1.5 V/2.5 V的过程中，会将M1开关打开，快速泄放电容上的电荷。图7是参考电压电路开启与切换的过程。
仿真中，对Banding线的寄生电容和电阻进行了建模，如图6所示，LB=5 nH，RB=0.3 Ω。
图7中的I_CAP分别为通过Banding线给片外电容充放电的电流，在放电阶段，可以提供28 mA的放电电流，在参考电压建立阶段，可以提供12 mA的充电电流。参考电压建立到ADC的精度范围需要10 ms的时间。在参考电压2.5 V到1.5 V的切换过程中，1 ms内，参考电压可以从2.5 V降到1 V以下。
RVG中各个模块的功耗见表1，片上低通滤波器使用MOS电阻和电容滤波，没有静态功耗。
结合前面的分析，如果ADC进行单点采样，并每次采样结束后关闭ADC所有电路，使用片外电容的应用方式，完成一次采样需要1 410 nC的电荷；使用内部buffer的应用方式，完成一次采样需要229 nC的电荷。如果使用电池供电，采用内部buffer应用方式，可以有效减小对电池的消耗，延长使用寿命，参考电压产生电路不同应用方式下的参数如表2所示。
当ADC连续采样，不需要关闭内部参考电压产生电路时，使用片外电容的应用方式可以降低功耗。另外，如果芯片的供电模式是线圈取电，由于磁感应强度有限，对芯片的功率有一定限制，采用带片外电容的应用模式可以降低其功率。
综上所述，使用内部buffer是能量高效率的应用模式；而使用片外电容是功率高效率的应用模式。
4 芯片测试
本芯片已经在TSMC180 nm工艺下流片，SAR ADC的版图如图8所示，其中虚线框部分为RVG电路，其余部分为SAR ADC。
芯片测试结果如下，RVG电路的输出电压的启动，稳定性满足SAR ADC的需求，如图9所示。使用片上集成的RVG电路，当芯片电源电压在2.2 V~3.6 V时，电路均可正常工作，SAR ADC的信噪比可以达到66 dB，如图10所示。
5 结论
针对工业物联网芯片中供电情况复杂、ADC使用方式多样功耗要求高的特点，提出了一种全集成多模式RVG电路，可以根据供电电压范围的不同，选择1.5 V/2.35 V电压输出；可以根据ADC的应用方式配置成能量高效率模式和功率高效率模式。测试结果表明，该方案稳定性良好，能够为ADC提供可靠的满量程参考电压。
参考文献
[1] ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS模拟集成电路设计[M].马军，李智群，译.北京：电子工业出版社，2011.
[2] Texas Instrument Inc.MSP430 data sheet[Z].2006.
[3] STMicroelectronics Company.STM32 data sheet[Z].2015.
[4] NXP Simiconductors.KL17 data sheet[Z].2016.
[5] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，程军，张瑞智，等，译.西安：西安交通大学出版社，2003.
作者信息:
侯佳力1，2，3，胡 毅1，2，3，何 洋1，2，3，王小曼1，2，3，杨小坤1，2，3
（1．北京智芯微电子科技有限公司，北京100192；
2.国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京100192；
3.北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京100192）