8bit逐次逼近型SAR ADC电路设计成品 入门时期的第三款sarADC，适合新手学习等。 包括电路文件和详细设计文档。 smic0.18工艺，单端结构，3.3V供电。 整体采样率500k，可实现基本的模数转换，未做动态仿真，文档内还有各模块单独仿真结果。
引言
逐次逼近型模数转换器（Successive Approximation Register ADC，简称SAR ADC）因其结构简洁、功耗低、中等转换速率与高能效比，广泛应用于嵌入式系统、传感器接口与便携式设备中。本文基于一份8位SAR ADC的设计与仿真报告，从系统级视角出发，深入剖析其核心模块组成、协同工作机制与关键技术实现，旨在为硬件系统工程师与混合信号IC设计人员提供清晰、准确的功能级理解，而不涉及具体电路实现细节或敏感代码内容。
系统总体架构
该8位SAR ADC采用经典的四模块架构，包括：
- 采样保持电路（Sample-and-Hold, SH）
- 电容型数模转换器（Capacitive DAC, CDAC）
- 高速比较器（Comparator）
- 逐次逼近逻辑控制单元（SAR Logic）
这四个模块在统一时序控制下协同工作，完成从模拟输入到8位数字输出的完整转换流程。整个系统工作于5 MHz主时钟下，实现500 kSPS（千次采样每秒）的有效采样率，支持0~3.3 V全电压范围输入。
模块功能详解
1. 采样保持电路：高线性度信号捕获
为确保在动态输入条件下仍能获得高精度采样，系统采用栅压自举（Bootstrap）开关技术构建采样开关。相比传统传输门，该结构显著提升了开关导通电阻的线性度，从而减小了采样非线性误差，尤其适用于高分辨率ADC前端。
- 采样阶段：控制信号（CTL）为高电平，输入信号通过自举开关对采样电容充电。
- 保持阶段：CTL拉低，开关断开，采样电容维持电压值供后续比较使用。
仿真验证表明，该电路在3.8 MHz输入信号下仍能实现稳定、低失真的采样波形，满足8位精度对前端线性度的要求。
2. 电容型DAC：分段式电容阵列优化
DAC是SAR ADC的核心反馈单元，其精度直接决定整体转换性能。本设计采用4+4分段式电容阵列结构，将8位权重分为MSB（高4位）与LSB（低4位）两段，中间通过一个单位电容桥接。
优势分析：
- 面积与功耗大幅降低：传统8位二进制加权电容阵列总电容为255C（C为单位电容），而分段结构仅需31C，面积与功耗降低约8倍。
- 匹配性提升：高位电容不再需要超大尺寸，减小了工艺失配带来的非线性误差。
- 速度优化：总负载电容减小，加快了DAC建立时间，有助于提升转换速率。
DAC工作流程遵循二分搜索逻辑：初始时所有电容下极板接参考电压或地，上极板复位；随后根据SAR逻辑输出的每一位控制信号，切换对应电容下极板状态，使上极板电压逐步逼近输入信号。
3. 高速比较器：亚微伏级灵敏度
比较器负责判断当前DAC输出电压与采样保持电压的大小关系，其速度与精度是SAR ADC性能的关键瓶颈。
8bit逐次逼近型SAR ADC电路设计成品 入门时期的第三款sarADC，适合新手学习等。 包括电路文件和详细设计文档。 smic0.18工艺，单端结构，3.3V供电。 整体采样率500k，可实现基本的模数转换，未做动态仿真，文档内还有各模块单独仿真结果。
本设计采用三级交叉耦合差分结构，具备以下特点：
- 高增益与快速响应：适合在单时钟周期内完成判决。
- 低失调电压：实测在±5 μV输入偏移下即可可靠翻转，远优于1 LSB（≈13 mV）要求。
- 共模抑制能力强：在0.9 V共模电平下仍能准确响应差分输入变化。
该比较器输出直接驱动SAR逻辑，决定下一位的试探方向，是算法收敛正确性的保障。
4. SAR逻辑控制：同步状态机实现二分搜索
SAR逻辑本质上是一个8步状态机，每步对应一位（从MSB到LSB）的试探与锁定。其核心由两排D触发器构成：
- 上排触发器：实现移位功能，控制当前试探位。
- 下排触发器：寄存最终转换结果（B7~B0）。
工作流程：
- 初始化：复位信号（R）清零所有寄存器。
- 启动转换：置位信号（S）上升沿将MSB（B7）置为1，启动首次比较。
- 逐位逼近 ：
- 比较器输出（CMP）反映当前DAC电压与输入电压的关系。
- 在每个时钟上升沿，SAR根据CMP决定保留或清除当前位，并将试探权移至下一位。
- 完成输出：8个时钟周期后，B7~B0即为最终8位数字码。
仿真验证显示，该逻辑在不同输入（0 V、1.65 V、3.3 V）下均能正确输出对应码值（如10000011对应1.65 V），误差控制在1~2 LSB以内，符合8位精度预期。
系统级协同与时序控制
整个ADC工作分为两个阶段：
- 采样阶段：由采样时钟（CLKS）控制，此时SAR逻辑时钟被屏蔽，DAC复位，输入信号被采样至保持电容。
- 转换阶段：采样结束后，主时钟（CLK）启用，SAR逻辑开始8步逐次逼近，每步一个时钟周期。
参考电压（VREF = 3.3 V）为全摆幅提供基准，确保0~VREF范围内任意输入均可被量化。系统通过精确的时序隔离与信号同步，避免了采样与转换阶段的相互干扰。
性能总结
| 指标 | 值 |
|---|---|
| 分辨率 | 8 bits |
| 采样率 | 500 kSPS |
| 输入范围 | 0 ~ 3.3 V |
| LSB大小 | ≈12.9 mV |
| 最大误差 | ≤2 LSB |
| 功耗/面积 | 因分段CDAC显著优化 |
结语
该8位SAR ADC设计通过分段电容阵列、栅压自举采样、高速低失调比较器与同步SAR状态机的有机结合，在保证精度的同时实现了面积与功耗的高效优化。其模块化架构清晰、时序逻辑严谨，为中低速高能效ADC应用提供了可靠的技术方案。未来可进一步集成数字校准算法，以补偿工艺偏差，提升有效位数（ENOB）。
注：本文基于功能描述与系统级分析撰写，未披露具体电路图、晶体管尺寸或版图实现细节，符合技术文档的保密与通用性原则。
