一种具有动态共栅放大器、电荷增强放大机制及动态体开关技术的区域高效噪声整形SAR ADC

《IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers》：An Area-Efficient Noise-Shaping SAR ADC Utilizing Dynamic Common-Gate Amplifier With Charge-Boosted Amplification and Dynamic-Bulk-Switching

一种基于动态共栅放大器的2阶噪声整形SAR ADC设计，通过电荷倍增和动态bulk开关机制优化噪声整形性能，并采用PVT跟踪脉冲生成器提升工艺电压温度适应性，实现76dB SNDR、0.0045mm2面积和31.5uW功耗。

　　

摘要：

本文介绍了一种面积效率高的二阶噪声整形（NS）SAR ADC，该ADC采用动态共栅放大器实现。通过调整施加到晶体管栅极的脉冲高度，将一个简单的开关重新配置为动态共栅（DCG）放大器，在无源环路滤波器之前实现电压增益，从而在保持面积和功耗高效的同时增强噪声传递函数（NTF）。为了实现二阶环路滤波器，提出了两种关键技术：首先，电荷增强放大方案将传输到残差电容器的电荷加倍，从而实现二阶噪声整形；其次，动态体开关机制通过切换放大器的体区来触发第二次电荷传输，消除了对额外放大级的需求。此外，为了确保在工艺电压温度（PVT）变化下的稳健噪声整形，引入了PVT跟踪脉冲发生器以保持放大器的稳定运行。利用这些技术，原型ADC在0.0045 mm2的紧凑活性面积下实现了76 dB的信噪比（SNDR）。该ADC以5 MS/s的采样率和312.5 kHz的带宽工作，功耗为31.5 uW，其Schreier优值（FoM）为176 dB，Walden优值（FoM）为9.8 fJ/conv.step。

引言

由于可穿戴设备和物联网（IoT）系统中板空间和电池容量的限制，对于具有强大性能且能在PVT变化下保持高效工作的紧凑型ADC的需求正在增长。噪声整形SAR ADC因其能够在保持低功耗的同时实现高分辨率而成为有前景的候选方案。如图1所示，通过将delta-sigma调制技术集成到SAR ADC中，NS-SAR结合了两种架构的优点。一方面，NS-SAR继承了SAR ADC的功耗高效数字式架构；另一方面，噪声整形提高了有效比特数（ENOB），从而缓解了传统SAR ADC设计中的噪声和面积限制。此外，由于采用了多比特量化器，NS-SAR只需要处理较小的残差信号，放宽了环路滤波器的设计约束（如线性要求），因此无需使用传统delta-sigma调制器中耗电较大的闭环运算跨导放大器（OTA）。图1.

NS-SAR ADC的基本框架。