3.6、高速ADC的结构和工作原理

1、.3.6高速ADC电路结构和工作原理目前，高速ADC主要有逐次逼近型，并行比较型(闪烁型)，分级型(半闪烁型)和流水线型等几种电路结构。其中，逐次逼近型是较为经典的低成本电路结构，主要用于中高速（10mA）。因此闪烁式ADC存在的问题是有限的分辨率，功耗大和芯片尺寸大（从而成本高）。闪烁式ADC的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率消耗等限制。结构重复的并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，如会使输入失调电压增大。同时，这一类型的ADC由于比较器的亚稳态、编码气泡，还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。这类ADC的优点是模/数转换速度最高，缺点是分辨率不高

2、，功耗大，成本高。注解：“火花码”根据闪光式ADC的电路结构，在使用时应该考虑所有的静态误差源和动态误差源。静态误差源主要是比较器输入失调电压的变化会影响ADC的直流线性误差。动态误差主要包括：比较器的延迟和带宽之间的失调会降低ADC的SNR和ENOB。每个比较器的输入端都有一个与输入信号相关的压变结电容，在输入高频信号时，它会降低ENOB并产生较大失真。另外还包括布线不合理造成的寄生电容的影响。闪电式ADC还易于产生离散的、不确定的输出，即所谓的“火花码”。火花码主要有两个来源：2n-1个比较器的亚稳态温度计编码气泡不匹配的比较器延迟会使逻辑1变为逻辑0（或反之），这如同温度计中出现了一个气

3、泡。由于ADC中的优先编码单元无法识别这种错误，经过编码后的输出同样会出现“火花”。芯片举例：实际上闪烁式ADC分辨率最高可达到10位，一般为68位。最高采样速率可高达500MSPS，全功率带宽300MHz。ADI公司闪烁式ADC典型产品有，AD9066（6位，60MSPS），AD9002（8位，150MSPS），AD9048（8位，35MSPS），AD9060（改进的半闪烁式ADC，输入比较器数目节省一半，10位，75MSPS）。AD9002闪烁型8位150MSPS（高速单片ADC）Radar Warning Receiver：雷达信号预警接收机；Warfare：电子战；3.6.2 半闪烁式

4、ADC现代发展的高速ADC电路结构主要采用这种全并行的ADC，但由于功率和体积的限制，要制造高分辨率闪烁式ADC是不现实的。由两个较低分辨率的闪烁式ADC 构成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级(流水线)型ADC是当今世界制造高速ADC的主要方。下图所示是一个8位的两级并行半闪烁式ADC的原理框图。其转换过程分为两步：第一步是粗量化。先用并行方式进行高4位的转换，作为转换后的高4 位输出，同时再把数字输出进行DAC转换，恢复成模拟电压。第二步是进一步细量化。把原输入电压与DAC转换器输出的模拟电压相减后，对其差值进行16倍放大再进行低4位的ADC 转换。然后将上述两级ADC转换器的数字输出并联后

5、作为总的输出。这样，在转换速度上作出了一点牺牲，但解决了分辨率提高和元件数目剧增的矛盾。芯片实例：AD9060：10位75MSPS A/D转换器 3.6.3 分量程或流水线型ADC将半闪烁型ADC进一步发展，就产生了流水线型ADC(Pipeline)，也称为子区式ADC。它由若干级电路串联组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率的粗ADC对输入进行量化， 接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器MD

6、AC产生一个对应于量化结果的模拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细ADC对残余信号进行转换。将上述各级粗、细ADC的输出组合起来即构成高精度的n位输出。下两图分别为一个14位5级流水线型ADC的原理图和每级内部结构图。流水线型ADC必须满足以下不等式以便纠正重叠错误：l * m + k n式中，l为级数，m为各级中ADC的粗分辨率，k为精细ADC的细分辨率，而n是流水线ADC的总分辨率。流水线ADC不但简化了电路设计， 还具有如下优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有

7、良好的线性和低失调；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样， 因此允许流水线各级同时对多个采样值进行处理，从而提高了信号的处理速度，典型的为转换时间100ns；功率消耗低；很少有比较器进入亚稳态，从根本上消除了火花码和气泡，从而大大减少了ADC的误差；多级转换提高了ADC的分辨率。同时流水线型ADC也有一些缺点：复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路造成流水线延迟；同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，它们会影响增益的线性、失调及其它参数。目前，这种新型结构的ADC在尺寸、速度、分辨率、功耗和设计难度等方面提供了很好的平衡，已经引起大多数模数转换器制造商和设计得的关注。主要应用于：对于总谐波失真（THD）、无杂散动态范围（SFDR）和其它频域特性要求较高的通信系统；对于噪声、带宽和瞬态响应速度等时域特性比较感兴趣的CCD成像系统；以及对时域和频域参数（如低杂散和高输入带宽）都要求较高的数据采集系统。目前已有几家制造商可以提供这种产品。流水线ADC可以提供颇具吸引力的速度、分辨率、低功耗和很小的芯片尺寸（意味着低价格）。下图是M