ADC入门基础知识

目录1、ADC是什么2、背景、发展3、现状4、发展方向5、ADC的基本框架6、Nyquist采样定理7、ADC的输入输出8、ADC的性能参数9、CMOSADC的结构10、pipelineADC11、集成电路的设计方法1ADC是什么ADC：模拟——数字转换器模拟——数字转换器和数字——模拟转换器是模拟系统和数字系统之间的桥梁，是现代微电子数字通讯系统中非常重要的模块。2背景、发展随着CMOS制作工艺的迅猛发展，越来越多的信号被移到数字领域来处理，从而达到降低成本，降低功耗，提高速度的目的。这就使我们迫切需要一种低功耗、低电压而且能够用标准深亚微米技术实现的ADC。3现状国内在高性能芯片的研究和设计方面还比较落后,这就造成了各种高性能芯片的巨大需求和国内芯片产业落后之间的巨大矛盾。而且,由于一些高端芯片产品受到国外的进口限制,这对我国国防现代化发展以及民用电子通信工业的发展非常不利。这就迫使我们必须自己研究设计出高速、高精度的模数转换器。4发展方向在未来,模数转换芯片的主要发展方向是1、高分辨率2、高转换速度3、低功耗4、单电源低电压5、单片化5高分辨率高分辨率：目前分辨率最高可以达到31bit（TI公司的ADS1282）10bit及以上分辨率的A/D转换电路，它所达到的精度超过了现在工艺能实现的最大电容匹配，所以必须采用一定的校正措施。校正技术分为：缺点数字校正运用算法逻辑等后台处理技术来消除电路对温度及误差匹配等方面所产生的影响模拟校正采用电容误差平均技术需要一个额外的始终周期，这样便降低了电路速度。6高转换速度

A/D转换电路的速度主要是受运放建立时间和比较器响应速度的影响。因此必须优化单级电路的建立特性，提高运放的增益可以保证系统精度的同时确保运放的大宽带、提高运放的压摆率设计、压摆区和线性建立区的合理分割等。目前国际上已经产品化的ADC采样速率最高可以达到2.2GSPs（Maxiam公司的MAX109）7矛盾与解决在集成电路设计中，速度和精度两者相互对立：如果追求高速度，就必须降低精度，比如Maxiam公司的MAX109，采样速率达到2.2GSPs，但分辨率只有8bit；如果追求高精度，就必须降低速度，如TI公司的ADS1282，分辨率达到31bit，但采样速率只有4KSPs；然而最常见的情况是根据不同的应用在两者之间进行折中。我国从70年代开始研制ADC，至今已经有8bit、10bit、12bit、14bit的ADC产品，但产品性能还远远达不到高端应用的要求，与国外水平相差甚远；高端ADC还处于高校和研究所的研究开发阶段。8低功耗、低电压、单片化单元电路的一些优化设计也可以降低功耗，如动态偏置、开关电容动态共模反馈以及动态比较器等。低电压是现在应用发展的一个趋势，主要有运放的rail-to-rail设计、模拟开关的电压自举等方法。9ADC的基本框架10Nyquist采样定理

Nyquist采样定理:

其中，是输入信号的频率是采样频率

被采样的信号只有在满足采样定理的情况下,才能够被重构还原。11ADC的输入输出下图是3位ADC的理想输入输出曲线。12ADC的性能参数ADC的性能参数主要有：分辨率（Resolution）微分非线性（DifferentialNonlinearity简称DNL）积分非线性（IntegralNonlinearity简称INL）失调误差增益误差信噪比（SignaltoNoiseRatio）无杂散动态范围（SpuriousFreeDynamicRange简称SFDR）总谐波失真（TotalHarmonicDistortion，THD）转换速度13分辨率（Resolution）ADC的分辨率是指转换器所能分辨的最小量化信号的能力。对于一个二进制N位分辨率的ADC,假设满摆幅的输入范围为

,所能分辨的最小电平则为

同时,分辨率通常随着噪声和非线性的增加而下降,因此,描述ADC真正的分辨率还应包括噪声和非线性。14微分非线性误差（DNL）15积分乎非线友性误奔差（IN畏L）16失调谢误差失调祥误差痛：零回输入节时Ａ共／Ｄ汗转换塔器输用入－跌输出潜特性怠曲线盗的偏如移。17增益没误差增益啄误差搏：满跳量程既输出陶时，隔实际不的模青拟输筛入信叮号和匪理想伴的模牵拟输格入信神号间熊的差白值。矛增益湾误差欺使传济输特持性曲驴线绕擦坐标恳原点绘相对搭于理毫想特谣性曲遥线发敏生了戏一定检角度穴的偏呀移。18信噪及比信噪具比指马ＡＤ巧Ｃ输羞出信顶号功佛耗和钢噪声岂功耗挠间的向比值器，用津ｄＢ稀表示爱。其中成，信蔬号是唇指频郑谱图饶中基锈波分洪量的水有效项值，凤噪声副＝总誉能量考－信熊号能徐量和茅谐波渔的能疫量。丽理想吸的Ａ犁ＤＣ弃噪声介主要楚来自谁量化奋噪声朵。对融于正幅弦输逗入信忌号，笛信噪彩比的嫌理论仿最大左值为扎：其中艘，N是AD庸C的位梁数。19信噪规失真利比信噪浩失真证比：检基本晒的信销号功业耗与象所有舞谐波胞失真置，混胶叠谐策波以牺及所毛有的棒噪声图功耗稀之和去的比舰值。将它是简衡量卖模数科转换禾器最衰重要投的指渔标。臣与输蝴入信拥号频拜率、婚幅度粪等因旬素有棉关。20无杂款散动映态范强围21总谐摔波失港真（To布ta屑l葬Ha怀rm般on流ic拣D苹is神to补rt嘉io灰n）总谐吓波失须真：整个眼频带号中各圾次谐映波的饰功率言之和。22转换设速度转换抹速度结是指番A貌DC欺每呆秒将吹输入鬼的模正拟信旺号转踢换成羞数字蚊信号表的次双数，仿其单芦位为ks块ps没或吴M怒sp扁s（迎ki甩lo戴/M俗il书li厚on慌S色am葡pl创es炉p摊er凉S寄ec夹on雷d）爬。23CM朽OS窑A趋DC的结洒构CM椅OS拦A雁DC洋的宝结构圈有很掩多种咽，其胃中主筛要包立括Fl拾as菠h词AD宜C两步滴式AD仿C逐次桂逼近继型A才DC∑-领∆A组DCPi件pe银li木ne怖A烟DC24Fl叫as获h梯AD叉C的基量本架新构以饮及工挠作原闪理全并秋行A鲜DC驳（F昂la意shAD怠C）复原理齿：假如彼一个换n位雪的全此并行获结构掠AD圣C，酸通常原是由个并亏行比挡较器捕，个参晕考电宜压及扔二进仆制译薯码电抓路组史成。盒基准贯间隔璃是即一姨个L侦SB烂。每躺一个碎比较市器对培输入救信号丝式进行匠采样绩，并榨把输第入信夸号与撒相对艇应的杏参考父电压药相比黄较，酸后将版比较启结果烧输入士到优努先编耻码的算编码耗电路现进行史编码袄，最础终输辈出N置位的津二进甜制编拴码。25Fl为as尤h穴A/双D转换或器结慈构图全并催行A/盐D转换歉器结跃构图3b荐it五F苗la浮sh垃AD垮C的基府本框吨架26Fl有as啊h抖AD盘C优缺亦点全并嘉行结坝构的代AD嫩C实探现一爆次转退换只统需要继整个波电路边比较璃一次喂,所牙以其蓝转换闷速率只非常称快。但对统于一功个n读位的漂全并恶行结罗构A牲DC愤,它疼需要个并检行比免较器迫和参娃考电晒压,湿随着帆AD想C位跃数的析提高紫,其名电路稍复杂鱼程度自会随阁着指坊数上羡升。史因此折,这袜种结上构主支要用氧来设检计高然速、葡中低横分辨筑率（踢≤6拼bi极t）备的A厘DC掌。27两步严式模头数转拥换器两步贤式模膝数转索换器漏是由散一个贴两级志位数躲相同罪的Fl盯as愤h袜AD踢C(分别骂用于矛高位粪和低裹位量上化)。一妈个D/沃A转换红器和笼一个考减法驶器构矛成。两步埋式模居数转页换器门的工偶作原炉理为:第一巷步,采样绣保持导电路识输入淋信号,在保段持阶凉段,第一妄个Fl叶as配h缩慧AD阶C对输浊入信判号进遥行量舌化,产生掏高位弟的数随据,然后侮这个煎数据弃通过怖一个D/捏A转换存器转矛换回材模拟扩量,并与蕉输入斥的模梦拟信鸡号相妻减。第二优步,相减乔所得丝式的余洲量被验送入剃第二撕季Fl绵as牧h任AD惕C中进呆行量申化,并产喘生低写位的锦数据玩。最终锈的输悔出结渠果是恼由高堂位的院数据否和低甘位的摊数据雅组合桂而成领。28两步咱式A/萝D转换励器结箱构图29两步阳式模陈数转串换器饭的优图缺点两步别式A叹DC随的转蛋换时弊间比尸全并罗行A杂DC情的转醋换时瓶间长腔,但蓬相对豪于其铜他结替构的幸AD薯C而阻言,镇还是衡非常雅快的羞。对于树一个赴n位市分辨托率的制模数浊转换腿器,蔽两步亮式A融DC理只需要个比份较器龟,这钞远远嚼少于述全并弦行A靠DC脖所需民要的召比较旨器。盯大大裙节省由了芯郊片的冶功耗够和面朵积。与全论并行快AD肌C相住比,鲜两步盗式A根DC困还增锄加了冤一个逮DA西C和过一个繁减法供器。娇这样财可以泡在减堆法器题后面万增加画一个咸剩余滴信号会放大敬器以茫避免妄过小渐的剩恭余信纵号,柔通常陈选择姓增益牌为的运功算放油大器伪来简绞化设谱计,吃这样单做的店好处届可以俊使两膛个并疏行转点换器些共用辰相同泄的参后考电话压。30逐次物逼近掌型AD锹C逐次盲逼近采型AD框C也被乞称为旧二进纪制搜绝索AD穷C,它是稳用一佛个高西速高绘精度垮的比虎较器泼将模剖拟输烤入信缸号与存前一世次得峡到的付模数峡转换形结果幼通过DA扶C后的辽输出从相比锄较,以此贩来得含到从MS哑B到LS妄B的每房诚一位筹。逐帅次逼粉近型AD甘C除了避需要垮一个堂比较速器外,还要吉包含香一个完采样覆保持僻电路屿、一其个逐溪次逼脖近寄竭存器(S润AR膝)和一歼个数候模转匹换器(D侦AC惨)。逐逃次逼既近型AD虾C的结雄构如辉下图俊所示翁。31逐次惜逼近刑型AD玻C结构轮图32逐次堂逼近套型AD蛇C的适绩用系毯统逐次食逼近忍型AD倍C的转妨换周勤期是科从采遣样模都拟信捡号开拼始的,采样太值与DA拾C初始德化输鲜出结幕果相尾减,输出厘的差量被比魂较器怀量化,该比窃较器梦通过禽输出鄙的结漏果指饺示SA播R增加对还是壮减小DA扔C的输母出,然后陷输入河采样退减去漫新的DA迷C输出,该过蒸程一月直重己复,直到戒满足惕所要杆求的百精度滋为止惊。逐次诞逼近类型AD死C完成n位数槐字转阁换需粘要N个时都钟周搬期来餐完成屈。因纲此,当分克辨率脾提高待时,转换疯器的高速度誓就会煌相应晶的降仪低。逐次扮逼近示型AD向C的静电态误渗差会划受到DA宝C线性忌度的捉限制,通过碎校准两或者强微调DA恳C可以丙获得捕非常耕高的泄分辨涉率。因此优逐次淡逼近亮型AD炮C常用厘于高桂分辨制率、禽低速旷的系扣统及嘴设备房诚。33∑-∆郊AD违C∑-∆蒙AD存C线性秋度很腹高,但同闹时对括器件佩的匹理配要武求不帝高。走∑-∆驻AD刮C通常扩由一李个积羡分器庆、一桃个比崭较器嗓、一返个1位的DA续C和一骑个数蝇字滤叮波器纤构成,其结粪构如疲下图兆。∑-∆得AD稻C首先姻将输艇入信光号与DA泡C输出余相减群得到扑一个熊差值,这个贷差值趴通过划积分锅器积即分,得到蒸的电默压值扩通过史比较铁器与发基准绣电压爬进行雄比较,从而填得到伯一位清数字置输出准。然蔽后,这个血数字坡量作汇为DA佛C的输锄入进际入下易一个装转换体周期屈。34∑-∆型AD永C结构价图35∑-∆演AD况C的优屈缺点隔及应腿用∑-∆帆AD示C实际蜻上是资以最冷低的兽分辨预率(l位)来实陷现模须拟信脏号的姿数字办化。芒为了江提高牵分辨乎率,要再涉对比阶较器矿的输杀出进贱行数偶字滤蛙波。然它的含最高习分辨计率现糠在可畅以达板到24位,但这务却是洗以牺稀牲速楚度换谢取的资。每闯输出或一次抬完整膊的结跳果,都需的要对潜输入盲信号捆采样串很多蜻次。∑-∆尽AD蔑C的特遍点是塞模拟吗电路镇的比纱例小,对模饰拟电除路的咱要求触降低,结构文比较初简单跑。∑-∆膀AD屯C现在盾主要恭是应阻用在烫音频伪、图永像处冬理和AD产SL通信缝等领贪域。36pi含pe真li挠ne剩Ａ礼ＤＣpip拥el锹in镜e齐AD抽C的系等统结仇构示自意图pi祖pe歇li努ne补A看DC闭的基谷本单他元Pi随pe碑li钥ne浙A值DC（1b燥it）Pi敬pe挠li旋ne由A判DC（1.5bi红t）Pi滴pe赵li四ne日A络DC的优聚缺点37Pi眼pe衰li北ne骡A叠DC的系绣统结绢构示趴意图38pi辟pe建li酱ne组A浪DC兰的基筋本单树元采样渠保持毫电路闹（S土/H隐）子Ａ姨Ｄ电停路ＭＤ杜ＡＣ踏电路墙（乘刮法数定模转查换器店）误差珠校正妻电路基准翁源时钟拣电路数字无编码正电路39采样浅保持法电路采样辩保持双电路40采样苦开关41三种困机制炉产生渠误差1、齐沟道驾电荷衰注入2、衣时钟榨馈通3、默KT师/C游噪声42沟道明电荷福注入43时钟划馈通44KT航/C弹噪声45误差翅的消廉除以上冶误差蜡的存威在，态对于和高速繁高精过度随Pi傲pe忙li显ne胡A统DC舍来择说是树很不剧利的兆，因击此需馋要采暗取一虏定措劳施来疯减小盆。减小忙电荷遗注入朵效应株和时畜钟馈刃通效御应引敲起的刊误差播的方伏法有坟很多顾种，都用得宣较多饭的有师两种练：采远用虚乎拟开隶关和惕采用争全差顾分采请样电丢路。虚拟岂开关巨将沟盏道电戴荷和涉时钟妈馈通呼引起辈的电欧荷变诊化用角另一辣晶体缠管来反消除桑；差分电路扮将这分些误焰差转全换为版共模羡干扰狐来减堂小其保影响阅，但世需要狱系统削有较波高的友共模部抑制停比和爬使晨KT乔/C草噪盗声增粱加到劈燕原来温的两恋倍，浩这可神以通德过增倘加采疾样电款容大织小来侍减小鸡，但湿会增捞加功雁耗。46子Ａ购Ｄ电坐路示支意图47子Ａ辜Ｄ电路季的组冒成参考伶电压胜发生叛器比较汽器编码逢电路48参考俩电压尿发生谜器基准顾源分压御电路49比较盈器使用缎开环猫运算虾放大殃器作晕为比讽较器采用专前置浑放大丹器+惜锁存帝放大丽器的条预放概大锁罗存比况较器直接返采用怖锁存厦比较详器50预放拼大锁辨存比似较器51比较卸器的误差比较刮器的泡主要鲁误差误为失茂调和漆噪声程。其中逼失调洋主要回是锁转存放维大器浆中元前件的粪不匹葵配造成的朵，特艘别是唯动态擦锁存贸器，饱其失艺调很善容易板达到涌1想00椅mV颤左铸右。噪声叉方面括主要绘有回叨馈噪私声和馅热噪队声。筒回馈批噪声究是指爱由于叶比较态器输胃出端惕的电粘压的语快速砌变化肃通过唯寄生庄电容炉耦合作到输隙入端壮，使隆得输氧入信虫号产纯生较浓大的乎毛刺象，这奇些毛偷刺即料为回篮馈噪朗声。电它可余以通鸣过将射输出瓦与输走入进棵行隔问离来铃降低捧耦合缝作用缝来削占弱。52MD霉AC直电膀路53误差昼校正机电路误差照校正劝电路晕主要跨有模显拟误罢差校搜正电街路和窄数字烧误差府校正蜓两种耻。模拟差误差滑校正近往往围采用交模拟瞒辅助弓电路茶（一驰般为耀运放隐）来著对误敢差进效行存令储和何校正悔，这桌种方美法由碌于加圾入了束运放堂，因池此会脑较明竿显地休增加面功耗狼，而掘且模序拟辅但助电免路由眯于本俯身的具非理狸想因颠素，汽也可执能会镰引入煌新的后误差右。当盟设计卖不合废理时党，最呆终误据差可梳能会累比没崇有加阁入模瞒拟误怀差校百正前且还大秧。54误差磨校正符电路数字坛误差该校正针又有介冗余腥位数鞠字误穗差校排正和黄数字村后台批误差哥校正遇两种花校正童方法踩，它港采用佣数字秧电路镰实现突，使嘴得其敏功耗振相比间于模逝拟误喊差校沟正大穷大降萝低。数字错误差冬校正县电路秋可以崇在一捧定范编围内伶校正附比较若器失贡调产胜生的肌误差释、M象DA笨C阔的级傲间增练益误撒差、揭电容扁失配迅引起缝的误响差等趁误差籍，可椒以提筑高系茅统线益性度杨。在如番今的毫高精燥度P雪ip膀el酬in匹e土AD舌C焦系统遣中数困字误辛差校运正电小路已馅经成今为一拆个不裤可缺牺少的撇组成掘部分尽。55普通普2廊位柔子贼AD机C河的传唯输特喝性曲起线56有冗笨余位拐校正应的僻2阅位子辩A派DC垦的碧传输锁特性赠曲线57Pi到pe沫li娱ne幼A薯DC（1b妥it）下图译1是一内个每妄级分饰辨率理是抹1获位的筛P膨ip疯el药in歼e准AD匙C蓄结构价图。斤这种皮N淡位悼A签DC巨由歌N晚级构甜成，族每一棍级由能一个拼比较轧器和毁一个痛采样靠保持绵电路陈构成胞。P茅ip排el刘in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