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基于SMIC18MMRF工艺的8位40MS/s异步SAR ADC完整设计实现与仿真验证

news 2026/5/28 6:11:44

已经完成的流片项目8bit 40M采样频率异步SAR ADC设计包括核心电路的原理图和版图（DRC LVS ANT都过了）有测试电路和后仿文件带详细设计仿真文档 smic18mmrf工艺，有工艺库，有电路工程文件，提供仿真状态，可以直接导入自己的cadence运行仿真前仿有效位数ENOB=7.84（电路里新的ADE可以到7.94）后仿ENOB7.377，适合入门SAR ADC 顶层电路包括: 栅压自举开关Bootstrap Vcm_Based开关时序上级板采样差分CDAC阵列两级动态比较器比较器高速异步时钟动态sar逻辑 8位DFF输出 8位理想DAC 带详细说明，告诉你各个模块怎么设计，原理是什么，有哪些注意事项，怎么仿真，包看包会包括详细仿真文档，原理介绍，完整电路图，仿真参数已设好，可直接使用，在自己的电脑上就可以运行仿真

刚把手里这个SMIC18mmRF工艺的8bit 40M采样异步SAR ADC的流片报告整理完，终于能瘫在椅子上唠两句了——毕竟从搭模块到最后流片回来，前后折腾了快半年，踩的坑能绕Cadence车间三圈了。

先给大家报个硬参数：8bit分辨率，采样率拉满40M，前仿用老版ADE跑出来ENOB是7.84，后来更了新版ADE优化了一下仿真参数，直接摸到7.94；后仿因为带了版图寄生参数，掉了点到7.377，不过完全符合入门级SAR ADC的及格线，而且DRC/LVS/ANT全过，没返工。

整个工程包我已经整理好了，原理图、版图、测试电路、后仿文件、全流程设计文档都在，直接导入Cadence就能跑仿真，连仿真参数都给你们配好了，新手不用从头啃手册瞎调，直接就能看到各个模块的效果。

今天就挑几个核心模块唠唠，顺便把我当时写的偷懒脚本也放上来，省得你们再翻资料。

1. 栅压自举开关：踩过最蠢的坑

一开始我图省事用了普通CMOS开关，结果采样时THD直接炸到10%以上，查了半天才知道是普通开关的导通电阻会随输入电压变化，采样电荷分配不均导致的。加了栅压自举电路之后，直接把导通电阻钉死了，THD直接降到1%以下。

我当时懒得每次手动改参数跑AC仿真，写了个一键脚本：

;; 栅压自举开关AC仿真快速脚本 procedure(bootstrap_switch_ac_check() set_analysis("ac") ac_param("start_freq" 10 "stop_freq" 1e9 "num_points" 1000 "scale" "logarithmic") set_component_value("input_dc" 0.9) ; 输入共模电压 set_component_value("vin_diff" 0.1) ; 差分输入电压 run_analysis() plot_analysis("ac_analysis" "mag(V(gate)/V(input))") message("AC仿真完成，看栅极增益是不是接近1就行") )

这段脚本直接在Cadence的skill控制台敲一下就能出图，我当时为了调自举电容的大小，跑了几十次这个脚本，最后选了100fF的自举电容，刚好把导通电阻压到最低。

2. Vcm-Based开关时序：省了好多校准功夫

普通SAR的开关时序是靠时钟边沿触发的，容易带时钟馈通，我选了基于共模电压的时序，能自动抵消一部分共模噪声，不用后期额外校准校准。

贴个测试用的时序激励脚本，直接就能生成40M的采样时钟：

// 异步SAR ADC采样时序激励 reg clk_adc; reg rst_n; reg [7:0] dac_out; initial begin rst_n = 0; clk_adc = 0; #100 rst_n = 1; forever #12.5 clk_adc = ~clk_adc; // 40M采样，周期25ns end

当时调这个时序的时候卡了好久，就怕采样和比较器不同步，最后把采样窗口卡在时钟上升沿前2ns，刚好能避开时钟馈通的影响。

3. 差分CDAC阵列：不用手动拉128个电容

用的是上极板采样的差分CDAC阵列，单位电容选的1fF的MIM电容，8bit的话最高位就是128fF，手动拉128个电容简直反人类，我写了个自动实例化的脚本：

;; 差分CDAC阵列快速生成脚本 procedure(create_diff_cdac(unit_cap_val) local( cap_p cap_n ) cap_p = create_instance("CAP_MIM" "cap_p" list(0 0) list(128*unit_cap_val)) cap_n = create_instance("CAP_MIM" "cap_n" list(0 0) list(128*unit_cap_val)) connect_net(cap_p "top" "VIN_P") connect_net(cap_n "top" "VIN_N") message("差分CDAC阵列生成完成！") )

调用的时候直接敲creatediffcdac(1)就行，1fF的单位电容直接生成完整阵列，而且特意选了同方向的电容，尽量避免工艺偏差导致的匹配误差。

4. 两级动态比较器：高速采样的核心

40M采样的话，比较器延迟必须控制在5ns以内，一级动态比较器延迟太大，我换成了两级动态结构，延迟直接压到4ns左右，而且失调电压也小了很多。

同样写了个瞬态仿真脚本，一键看翻转时间：

;; 两级动态比较器瞬态仿真脚本 procedure(comp_delay_check() set_analysis("transient") tran_param("stop_time" 100n "num_points" 10000) set_component_value("vin_diff" 0.005) ; 差分输入电压 run_analysis() plot_analysis("tran_analysis" "V(comp_out)") message("看比较器输出翻转时间是不是在5ns以内就行") )

当时调偏置电流的时候踩了坑，电流太大功耗炸了，电流太小延迟不够，最后定在10uA刚好符合要求。

5. 异步SAR逻辑+DFF：不用等全局时钟

异步SAR的好处就是不用全局时钟，由比较器输出直接触发逐次逼近，速度比同步SAR快不少，贴一段核心的Verilog逻辑：

// 异步SAR逐次逼近逻辑 module async_sar_logic( input wire rst_n, input wire comp_out, input wire sample_en, output reg [7:0] dac_code, output reg sample_done ); reg [2:0] dac_cnt; always @(posedge comp_out or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin dac_code <= 8'h00; dac_cnt <= 3'h0; sample_done <= 1'b0; end else begin if(sample_en && !sample_done) begin dac_code[dac_cnt] <= comp_out ? 1'b1 : 1'b0; dac_cnt <= dac_cnt + 1'b1; sample_done <= (dac_cnt == 3'h7) ? 1'b1 : 1'b0; end end end endmodule

这里用了动态DFF，比静态DFF省了不少功耗，而且速度更快，刚好适配40M的采样率。