一、高速ADC

1.背景知識(shí)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，大大促進(jìn)了ADC技術(shù)的發(fā)展，ADC作為模擬量與數(shù)據(jù)量接口的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，在信息技術(shù)中起著重要作用。ADC同計(jì)算機(jī)一樣，經(jīng)歷了低速到高速的發(fā)展過程。ADC的低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間大于300uS ）結(jié)構(gòu)有積分型、斜坡型、跟蹤型;ADC的中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間在1uS-300uS ）結(jié)構(gòu)有逐次逼近型;ADC的高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1uS）結(jié)構(gòu)有閃爍型、分區(qū)式以及高分辨率結(jié)構(gòu)的∑-△型。這些不同的結(jié)構(gòu)滿足了實(shí)際應(yīng)用的廣泛性和多樣性的需求，其中高速ADC已成為決定諸如雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、航天航空、導(dǎo)彈、測(cè)控、地展、醫(yī)療、儀器儀表、圖像、高性能控制器及數(shù)字通信系統(tǒng)等現(xiàn)代化電子設(shè)備性能的重要環(huán)節(jié)。

2.基本原理

目前的高速ADC主要采用了以下兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是全并行結(jié)構(gòu)，也叫Flash結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的ADC至少有2“-1個(gè)比較器，例如，一個(gè)八位ADC就至少有255個(gè)比較器。當(dāng)ADC分辨率增加時(shí)，不僅電路體積龐大，而且功耗猛增，也易出現(xiàn)“火花碼’，，因而一般用于分辨率較低的ADC，如六位、八位ADC.另一 種 結(jié) 構(gòu)形式稱為分區(qū)式結(jié)構(gòu)或折疊式結(jié)構(gòu)，如兩步法、多步法。其電路結(jié)構(gòu)主要包含了S/H（或T/H）放大器、Flash A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)標(biāo)電路及數(shù)字誤差校正電路等。分區(qū)式結(jié)構(gòu)ADC克服了純Flash結(jié)構(gòu)ADC隨著分辨率增加，電路體積龐大、功耗猛增的缺點(diǎn)但又帶來另一個(gè)問題，即差分放大器和其中與第二次轉(zhuǎn)換處理輸入電壓有關(guān)的電路引入的誤差，這些誤差將超過轉(zhuǎn)換器允許的誤差，因此必須引入數(shù)字誤差校正。

當(dāng)前又有一種名為“流水線”的結(jié)構(gòu)，它也是基于Flash結(jié)構(gòu)的多步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（分區(qū)式），它是SAR和Flash兩種相結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上是犧牲ADC的速度來換取精度，因此適于較高精度的高速ADC.

二、流水線ADC結(jié)構(gòu)

下圖為12位流水線ADC的結(jié)構(gòu)圖。輸入Vin首先被采樣/保持（S&H）電路所采樣，同時(shí)第一級(jí)的閃速ADC把它量化為3位，此3位輸出送給一3位的DAC（具有12位精度），輸入信號(hào)減去此DAC的輸出，放大4倍送給下一級(jí)（第二級(jí)），繼續(xù)重復(fù)上述過程，每級(jí)提供3位，直到最后一級(jí)4位閃速ADC。對(duì)應(yīng)某一次采樣，由于每級(jí)在不同的時(shí)間得到變換結(jié)果，因此在進(jìn)行數(shù)字誤差校正前用移位寄存器對(duì)各級(jí)的結(jié)果先按時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。注意只要某一級(jí)完成了某一采樣的變換，得到結(jié)果并把差值送給下一級(jí)，它就可以處理下一個(gè)采樣。因此流水線操作提高了處理能力。

1. 延遲時(shí)間

由于每個(gè)采樣必須通過整個(gè)流水線才能得到數(shù)字誤差校正所需的各個(gè)位，因此流水線ADC有數(shù)據(jù)延遲。在圖1的例子中，大約要延時(shí)3個(gè)周期（見下圖）。

2. 數(shù)字誤差校正

大多數(shù)現(xiàn)代流水線ADC采用“數(shù)字誤差校正”技術(shù)來大大降低對(duì)閃速ADC（即內(nèi)部的每個(gè)比較器）的精度要求。3位的差值輸出其動(dòng)態(tài)范圍是輸入信號(hào)Vin的1/8，然而隨后的增益只有4，因此給第二級(jí)的輸入只有第二級(jí)ADC 3位范圍的一半（在第一級(jí)的3位變換沒有誤差的情況下）。

如果第一級(jí)的3位閃速ADC的某一個(gè)比較器有很大的失調(diào)，同時(shí)輸入電壓又正處于此比較點(diǎn)上，那么就會(huì)產(chǎn)生不正確3位碼和不正確的3位DAC輸出，此時(shí)產(chǎn)生了不同的差值?？梢宰C明，只要放大后的差值沒有超出后續(xù)的3位ADC的范圍，以后產(chǎn)生的LSB碼加上前面不正確的3位MSB碼同樣能產(chǎn)生正確的ADC結(jié)果。實(shí)際上，四級(jí)流水線中的第一級(jí)3位閃速ADC只需4位的精度。數(shù)字誤差校正不能修正最后4位閃速轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的誤差。但是，這里產(chǎn)生的任何誤差要除以前面的累積增益（44），因此只要求最后一級(jí)的精度大于4位。

在本節(jié)第一張圖的例子種，雖然每級(jí)產(chǎn)生3位，但由于級(jí)間的增益是4，每級(jí)（第一級(jí)至第四級(jí)）的有效分辨率為2位。額外的位只是用于使尾數(shù)減半，使下一級(jí)3位ADC有額外的范圍進(jìn)行數(shù)字校正。這種方法被稱之為級(jí)間“1位重疊”。因此整個(gè)ADC的有效位數(shù)是2+2+2+2+4=12位。

3. 元件精度

數(shù)字校正不能修正每個(gè)DAC和增益放大器的增益和線性特性。特別是前端的采樣保持電路，DAC需要12位的精度。但是隨后各級(jí)的元件只需較低的精度（如，第二級(jí)10位精度，第三級(jí)8位，等等），因?yàn)樗麄兊恼`差要除以前面的級(jí)間增益。通常利用這一事實(shí)把流水線逐級(jí)做小來進(jìn)一步降低功耗。

在大多數(shù)采用CMOS和BiCMOS技術(shù)的流水線ADC中，采樣/保持、DAC、加法器和增益放大器通常用乘法DAC（MDAC）的單開關(guān)電容電路來實(shí)現(xiàn)。限制MDAC精度的主要因素是內(nèi)在的電容不匹配。純雙極型實(shí)現(xiàn)方法更加復(fù)雜，主要受電流源DAC和級(jí)間增益放大器中電阻不匹配影響。通常12位或更高精度都需要阻容修正和數(shù)字校正，特別是第一級(jí)。

4. 數(shù)字標(biāo)定

MAX1200/MAX1201/MAX1205系列（16位1Msps、14位1Msps和2Msps ADC）采用數(shù)字標(biāo)定來保證其優(yōu)越的精度和動(dòng)態(tài)性能。MAX1200系列是CMOS流水線ADC，它由四級(jí)4位（其中一位重疊）和最后的5位閃速ADC構(gòu)成，總位數(shù)是3+3+3+3+5=17位（參見圖3）。額外的1到3位是數(shù)字標(biāo)定用來量化誤差項(xiàng)來達(dá)到更高的精度，舍掉它們后，最后得到14位或16位的精度。

標(biāo)定從第三級(jí)的MDAC開始。第三級(jí)以上的MDAC誤差已經(jīng)足夠小，不必標(biāo)定。第三級(jí)的輸出經(jīng)剩余的流水線ADC數(shù)字化后，誤差項(xiàng)存入片內(nèi)的RAM中，第三級(jí)標(biāo)定后，就可以用同樣的方式由第三級(jí)來標(biāo)定第二級(jí)，同樣，第二級(jí)標(biāo)定后，再標(biāo)定第一級(jí)。為了使標(biāo)定免受噪聲的影響，采用取平均的方法（特別是第一和第二級(jí)的MDAC）。在正常轉(zhuǎn)換期間，從RAM中取出標(biāo)定的誤差項(xiàng)來調(diào)整數(shù)字誤差校正后的輸出結(jié)果。

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