一种具有NTF同步优化的模式可重构二阶NS-SAR ADC

《IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers》：A Mode-Reconfigurable Second-Order NS-SAR ADC With NTF Synchronous Optimization

提出一种模式可重构二次噪声整形 successive-approximation register ADC，通过同步优化噪声传递函数实现能效与分辨率动态平衡。三种模式（节能/正常/高分辨率）分别配置8/9/9位NSAR和8/16/16倍过采样率，在5MS/s下达到80.3dB（201μW）、88.2dB和93.3dB SNDR，节能27%。采用180nm CMOS工艺，核心面积0.537mm2，实现不同应用场景下的最优性能。

　　

摘要：

本文介绍了一种可重构模式的二阶噪声整形连续逼近寄存器（NS-SAR）模拟-to-digital转换器（ADC），该转换器具有同步优化噪声传递函数（NTF）的能力。通过重新配置内部SAR ADC的分辨率（N）和过采样率（OSR），可以实现三种操作模式：节能（ES）模式、普通（NM）模式和高分辨率（HR）模式。NTF的优化是通过在特定模式下调整零点和极点的位置来增强NS效应实现的。该原型ADC采用180纳米CMOS工艺制造，工作电压为1.8伏。在5MS/s的采样率下，ADC的OSR可以在不同操作模式下配置为8或16，从而使其带宽分别为312.5kHz或156.25kHz。当NSAR和OSR均配置为8位时，在ES模式下，该ADC的信噪比和失真比（SNDR）可达80.3dB，功耗为瓦特。由于NTF的优化，在ES模式下相比未进行优化的情况可节省27%的功耗。在HR模式下，NSAR和OSR分别设置为9位和16位，SNDR达到93.3dB，功耗为瓦特。实验表明，由于NTF的优化，SNDR提高了6.4dB，使得ADC的最佳SNDR-based Schreier性能指标（FoM）达到180.8dB。在NM模式下，NSAR和OSR的配置分别为9位和8位，可实现的SNDR为88.2dB。该ADC占用的芯片面积为0.537平方毫米。

引言

在包括工业物联网（IoT）系统在内的多种应用场景中，高效的数据转换器变得越来越重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。这些系统通常集成有多种类型的传感器，如温度传感器、压力传感器和加速度计传感器，它们产生的信号具有不同的带宽和幅度特性。为了解决这种信号多样性问题，可重构模式的数据转换器已成为此类传感器融合架构中的关键组件。