分段电容SAR ADC模型分享与说明

待学芯 · 发表于 2025-10-28 20:35:51

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？注册

×

本帖最后由待学芯于 2025-10-28 21:33 编辑

昨天回复了一个帖子，链接如下：https://bbs.eetop.cn/thread-996714-1-1.html

遇到两个问题：
一是帖子里的等效电容计算错误。正确的计算步骤附件代码里给出，并且附上注释。
二是楼主私信我，修改公式化仍然不对。检查后发现是削波失真，超出满幅度量化范围。

具体说明：
c_msb = [64 32 16 8 4 2 1];
cb = 2;
c_lsb = [16 8 4 2 1 31]; %其中31不用于切换，只为了凑二进制
c_lsb_total = sum(c_lsb) = 62;
c_total = sum(c_msb) + cb*c_lsb_tota/(cb+c_lsb_tota) = 128.9375;

如果此时我们对c_total进行采样，再进行SAR量化过程，那么依次切换的差分电压值是 2*Vref*64/128.9375、2*Vref*32/128.9375 ...
即第一次切换的电压并不是1Vref，而是略小于Vref
此时ADC的满摆幅不是2*Vref而是2*（128/128.9375）*Vref，因此输入2*Vref的信号时会超出ADC满量程量化范围

如果只关注动态性能，那无所谓，幅度衰减128/128.9375约为0.9927，换算出来是-0.0627dB，对实际应用没什么影响
如果想修正这个问题，除了修调Vref或者数字后处理的方式以外，可以区分采样电容和实际总电容，操作如下：
把CDAC阵列修改成如下所示，使用下极板采样

c_msb = [64 32 16 8 4 2 1 1]; %加了一个单位电容，用于采样时补足二进制。但该电容只采样不用于切换。
cb = 2;
c_lsb = [16 8 4 2 1 31];
c_lsb_total = sum(c_lsb) = 62;
c_total = sum(c_msb) + cb*c_lsb_tota/(cb+c_lsb_tota) = 129.9375;
c_s = sum(c_msb) = 128;

然后采样时只对高位电容进行采样，那么采样到的电荷值是Qn = c_s*Vin = 128*Vin
由于低位电容不参与采样，所以下极板采样结束后的复位相，会发生电荷共享。此时CDAC输出电压cdac_n = Qn/c_total = 128*Vin/129.9375 。发生了衰减。
之后就是切换过程，依次切换的差分电压值是 2*Vref*64/129.9375、2*Vref*32/129.9375 ...
等效于：输入信号和基准电压Vref衰减了同样比例，因此输入满摆幅不变
这种方法也存在缺点，就是比较器输入端看到的电压值衰减了，等效为比较器输入噪声增大（影响其实很小，看设计时候如何折衷了）。