5G设计：ADC的电容稳定

文章：Ewout Martens和Joris van Driessche

将SAR ADC与电容DACS耦合是一种流行的方法，可以实现5G无线接收器所需的中等分辨率和速度的能源效率转换。结合管道，交织和数字校准等技术，已经证明了具有高达12位ENOB（有效的钻头）和数百MHz的精度的混合ADC。使用这些属性，这些ADC可以提供5G应用程序所需的吞吐量。

尽管ADC本身具有非常强大的功率，但它也对其周围的电路构成了艰难的约束，尤其是在参考电压方面。实际上，DAC从参考文献中汲取了信号依赖性电荷 - 实现电容DAC的所有连续近似寄存器（SAR）ADC的共同特征。没有稳定该参考电压的措施，对参考电压结果的信号依赖性调制，该调制显示为ADC输出处的谐波失真。

传统的解决方案包括以面积和/或电源为代价添加更多的芯片解耦电容或高速参考缓冲区。

从参考中得出的信号依赖性电荷完全由特定的DAC拓扑确定。因此，它是可以预测的，并且可以通过用另一个信号依赖性电荷取消信号依赖性电荷来稳定参考，从而消除了参考电压上的涟漪。IMEC现在基于在其交织的管道SAR ADC中使用辅助DAC的使用成功实施了这种参考稳定技术。

图1显示了这种稳定技术的基本概念。当将输入信号采样到主DAC上时，也将参考电压采样到参考电容器CREF，而辅助DAC CAUX则放电（步骤1）。当主DAC根据代码B1切换以生成残基时，辅助DAC的代码依赖性数量也将连接到参考节点（步骤2）。通过选择每个代码B1的CAUX的适当大小，可以使主DAC和辅助DAC绘制的费用总和保持恒定。参考电压下降，但现在掉落是与信号无关的。

最后，主要DAC将其重置为原始状态。该操作还从参考中汲取了信号依赖性电荷。通过将相同的稳定技术与第二个辅助DAC套件一起使用，第二个参考电压下降也与信号无关（步骤3）。现在，参考缓冲区只需要用恒定的充电量充电Cref，从而极大地放松其带宽要求。

图2描绘了2倍交织的管道SAR ADC的图，该图实现了上面讨论的稳定技术。在此架构中，最关键的残留物是第一阶段生成的最后一个残留物。因此，只有在主DAC生成该残基时才应用稳定技术。该DAC使用2个子DAC用于正和负输入范围，从而降低了开关能量，但也导致代码B1非常非线性映射到正确的设置上，以取消电荷的信号依赖性所需的辅助DAC CAUX由主DAC绘制。

6位代码B1由小的粗sar量化器确定，该量化仅需要6位线性，因此没有严格的参考条件。查找表（LUT）将代码B1映射到辅助DAC的正确设置。然后，主DAC与将辅助DAC CAUX连接到参考节点一起开关。放大残留物后，主DAC重置和辅助DAC套件如上所述，将其连接到参考节点。放大的残基将通过第二阶段进一步量化，以达到总体14位量化水平。

LUT与粗sar量化器同时解决，以大大降低临界时正时路径。为了填充LUT，具有内置偏移的比较器将最终参考电压与名义值VREF0进行比较，并且校准引擎可调节每个代码B1的CAUX设置。板条的设置通过分段线性解码器很好地近似。

在16nm FinFET技术中制造了测试芯片。核心区域为350×325μm²其中有16％用于参考稳定方案，包括50pf的CREF。通过电容稳定技术测量的谐波的降低显示在图4。为了进行高速操作，CAUX和CRESET都显着改善了SFDR（无伪动态范围），并且马刺被抑制至80 dbfs。在303 ms/s时，SNDR（信噪比和失真率）分别为64.0 dB和69.3 dB，分别具有低频和奈奎斯特输入。功率仅为3.6兆瓦，导致最先进的Walden和Schreier Foms分别为9.2 FJ/Conv.-Step和170.2 dB，如图所示图5。

这些结果表明，可以使用辅助DACS稳定参考电压，从而消除SAR ADC中DAC切换引起的参考电压的信号依赖性下降。当DAC重置时也应用时，参考节点上的载荷是与信号无关的，从而大大降低了参考缓冲区和/或芯片上解耦电容的要求。

Ewout Martens是研究人员和乔里斯·范·德里斯切（Joris van Driessche）都是IMEC的计划经理。