（微电子学与固体电子学专业论文）超高速adc电路的研究和设计.pdf

超高速a d c 电路的研究与设计 摘要 本论文首先介绍a - d 转换器在现代电子技术中的地位、作用、功能，兴起和 发展、技术展望。 本论文也对a d 的主要术语、参数、类型、基本原理进行了介绍和评述，同 时较详细地阐述它的理论基础一传递函数和量化与采样过程及理论 f 一个超高速a i d 转换器往往是一个大功耗，高集成度的i c 器件，要想实现 超高速a d 转换功能，在制作工艺不变的情况下，电路的结构自然成为a d c 设计 者所面临的首要问题j ) 本论文在参考国内外文献的基础上，提出自行设计的一种 a d 转换电路，理论上达到了超高速的设计要求。同时本论文从实际应用角度来 探讨如何组成一个完整的电路。 关键词：a d 转换电路超高速量化误差采样理论 、一、一一 r e s e a r c ha n dd e s i g no nu l t r a - h i g hs p e e da dc o n v e r s i o n c i r c u i t a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sf u n c t i o n a n dt e c h n i c a lp r o s p e c to fa dc o n v e r t e ri n t e c h n o lo g y a p p e a r a n c e ，d e v e l o p m e n t t h em o d e r ne l e c t r o n i c t h i st h e s i sa l s os t a t e st h em a i nt e r m s ，p a r a m e t e r s ，t y p e sa n db a s i c p r i n c i p l e s o fa dc o n v e r t e r m e a n w h i l e ，t h ea u t h o re x p o u n d si t s t h e o r e t i c a lb a s i s - - t r a n s f e rf u n c t i o n ，t h ep r o c e s sa n dt h e o r y o f q u a n t i z a t i o na n ds a m p l i n g g e n e r a l l y ，a nu l t r a h i g hs p e e da dc o n v e r t e ri sa ni cd e v i c ew h i c h i so fh i g hw o r kc o n s u m p t i o na n dh i g hi n t e g r a t e dd e g r e e i no r d e rt or e a l i z e t h ec o n v e r t i n gf u n c t i o no fu l t r a h i g hs p e e da d ，t h ek e yp r o b l e mt h ea d c d e s i g n e r f a c e si st h es t r u c t u r eo fc i r c u i ti nt h es a m ep r o d u c i n g t e c h n o l o g y a f t e rr e s e a r c h e d o nd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e s ，t h e a u t h o rp u t sf o r w a r dak i n do fa dc o n v e r t i n ge i r c u i tw h i c hm e e t st h e d e s i g n i n gd e m a n do fu l t r a h i g hs p e e dt h e o r e t i c a l l y a tt h es a m et i m e ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e sh o wt om a k eu pac o m p l e t ec i r c u i ti np r a c t i c e k e yw o r d s ：a dc o n v e r t i n gc i r c u i tu l t r a h i g hs p e e d ：q u a n t i z a t i o ne r r o r s a m p l i n gt h e o r y 致谢 ( a c k n o w l e d g m e n t ) 本论文是在导师陈钟鸣高级工程师的悉心指导下完成的。陈老师不仅学识渊 博、治学严谨、而且诚恳待人、诲人不倦。陈老师宽广的知识面、活跃的思维、 对科学的浓厚兴趣、对学科的深刻认识给我留下了深刻的印象。陈老师平易近人 的工作作风和甘为人梯的崇高品德是我永远学习的楷模。三年来，陈老师对我的 学习、科研和管理工作给予了精心的指导，对我的生活给予充分的关心，在此表 示衷心的感谢! 感谢东南大学a s i c 所时龙兴教授和陆先礼副教授的有益指导。 感谢合肥工业大学微电子设计研究所的博士生张溯，博士生王锐，博士生张 多利，博士生程作仁给予的热情帮助； 感谢南京大学博士生陈俊峰，中国科学技术大学博士生刘东。合肥工业大学 硕士生吴渭，硕士生赵于导功，硕士生周介良，硕士生葛斌，硕士生寇明国在本论 文写作过程中给予的关心和支持。 感谢我的女朋友刘竞舟及其她的母亲给我生活的帮助。 特别感谢我的父母亲和姐姐们对我的培养，帮助，关心和支持。 感谢我的朋友唐继志，章劲对我的长期关心和帮助。 感谢文中引用过文献的所有作者，感谢所有关心，支持和帮助过我的老师， 同学和朋友们! 郑维山 2 0 0 2 年5 月于工大斛兵塘畔 插图清单 图l 一1a d 和d a 转换器原理框图3 图2 1 定义a d 转换器的模型6 图2 2a - d 转换器的绝对误差7 图2 3a d 转换器的输出特性8 图2 48 位全并行a d 转换器原理框图i 0 图2 5 二步式a d 转换器原理框图1 1 图2 6 折迭转换曲线1 2 图2 78 位折迭插入式a d 转换原理框图1 3 图2 8 模拟预处理器l3 图2 9c d p 及其构成的a d c 1 4 图2 1 0 折迭功能图( f b ) 框图l5 图2 一llf b 并联结构1 5 图2 一1 2 插入电路及其波形1 6 图3 一l 采样过程示意图2 0 图3 2 通过保持器以后的输出采样信号2 0 图3 3 实时采样2 0 图3 4 实时采样的框图2 1 图3 5 时序变换采样的一种步进采样2 2 图3 6 当n ，z2 时的步进采样情况2 2 图3 7 步退采样2 3 图3 8 采样函数! 坚坚2 4 x 图3 9 狄拉克脉冲2 5 图3 1 0 拉克脉冲谐波增减时的情形2 7 图4 一lm a x 4 4 4 5 引脚图2 9 图4 2 共射一共基电路2 9 图4 3 共射一共基电路3 0 图4 4自动判别电路3 l 图4 5 采样值为o 7 v 时的输出波形图3 6 图4 6 采样值为0 6 v 时的输出波形图3 7 图4 7 采样值为0 4 v 时的输出波形图3 8 前言 在许多情况下要求将模拟量转换成数字量，我们用a d 转换器来实现数字量 和模拟量之间的转换。 电子式a d 转换器的发展历史最早可追溯到二次世界大战末期。那时，一门 新的科学分支信息论正在崛起，它预示了数字通信技术将得到迅速发展。这种 新颖的通讯技术的最大特点：信息以数字形式送出去，并以数字形式被接收下来。 理论和实践都表明，这是一种可靠，经济，保密和方便的通讯方法。显然，要实 现数字通讯，首先在发射端必须将所要传送的声音，图像等连续变换的模拟量转 换成相应的，分离的数字量发送出去；在接受端，还必须将所接受到数字量还原 成声音，图像等模拟量。为此人们开始研制和发展了a d 和d a 转换器。所以 a d 转换器最早是应数字信息的传输需要而出现的。 但是a d 转换器真正的光辉年华还是从六十年代开始的。这也与电子计算机 的日益普及应用有密切关系。从某种意义上说，a d 转换器的命运是和电子计算 机紧密相连的。它虽不是应电子计算机的需要两诞生，却是随着电子计算机的普 及应用而蓬勃发展起来。 在早期，人们利用电子计算机的快速运算能力单独地在实验室中进行数学运 算。但是后来当要求电子计算机去解决各种实际问题时，马上就碰到模拟量和数 字量之间的转换问题。这是因为根据“自然不能突变的法则”，在自然界中，几 乎所有变量，如电流、电压、电阻、压力、流量温度、功率、厚度、长度、距离、 速度、重量、光强、时间等等，包括电、磁、光、热、声、和机械等方面的 所有变量，从本质上来说，都可以连续可变的模拟量形式出现的。然而数字电子 计算机只能识别数字量和仅能对数字量进行处理，因此电子计算机的推广普及与 应用问题首先归结为如何获得高质量和低售价的a d 转换器。 尽管数字电子计算机仅能进行算术运算( 或逻辑运算) ，也就是从本质上来 说只能解决纯数学问题，如果配备a d 转换器后，它就能“随心所欲”地被用来 解决各种各样的实际问题，大至控制导弹和飞船的飞行和水利大坝的最佳坡度设 计，小至家庭烹调菜肴的最佳火候设选取。这是因为在自然界或日常生活中，各 种过程或现象虽然千差万别，但是当人们用数学关系式表示它们时，却呈现出惊 人的相同。如钟摆的振动与电磁振动有相同的数学表达式、船舶在波浪起伏的大 海中的振荡和太阳系中各星球在太阳引力下的数学方程表达式几乎完全一样。再 有，当地震发生时，地球地壳的振动和宇宙间大恒星的晃动也可用同一数学方程 来表达。还有我们生活中碰到的各种互不关联的现象，在数学领域中，它们也都 不分彼此的联系在一起。 因此，任何过程，不管如何复杂，只要弄清了该过程的物理实质，人们总可 以用一些代数方程，微积分方程或其他复杂的数学关系式将该过程表达和描述出 来。当配上a d 转换器后，也就可以通过电子计算机进行一定顺序的算术运算或 逻辑运算，进而达到分析和控制该过程的目的，或找出正确的答案。所以随着人 们越来越广泛的利用电子计算机来处理大量数据，a d 转换器的重要性也越加突 出了。 当然，除了进行数据处理外，电子计算机也大大地促进数字信息传输技术的 发展以新的生命力，从而越来越多的电报，电话，电视和广播采用数字化通信方 式，这也进一步衬托出a d 转换器的重要性。 在其他电子系统中，a d 转换器的重要作用也日益显示出来。特别是在数字 化仪表系统中a d 与d a 转换器正以它们自己特有的功能发挥作用。此外，在计 量，摄影，自动显示，疾病自动诊断和各种检测控制系统中，都少不了a d 转 换器。 第一章a - d 转换器的功能和技术进展 1 1 - d 转换器的功能” a d 转换器的功能就是将连续变化的模拟量转变成相应的多位数字量。 如有一个随时间t 改变的模拟量( 声音，图像等) x ( t ) 见图1 1 ， y g ) 数罕输出 数字输入 ) ，t 拟输出 图1 1a b 和i ) - a 转换器原理框图 经过a d 转换器就被转换成为离散的，具有一定位数的一串数字量，。即 在a d 转换器的输出端可得到一组与x ( t ) 相对应的具有预定位数的数字代码。 由于实际存在的模拟量，除了电学模拟量( 电流，电压，电阻等) 外，还包括 声、光、磁、热、机械等各个方面非电的物理模拟量，所以在进行a d 转换之前， 必须对它们进行“归一化”，即把各类物理模拟量转化成相应的电学模拟量，通 常转化成电压或电流量，这过程常称为“换能”过程f 2 】。担任这个任务的器件 就是换能器，或叫传感器。人们称这个转换为a a 转换。所以从广义来说，a d 转换过程分为两个步骤：先是a a 转换，“归一”到电学量；再由a d 转换器将 电学量转换为数字量。 1 2 集成a d 的兴起和发展 自本世纪初以来，电子器件经历了从电子管，晶体管到集成电路的发展过程， 电子计算机也随之由电子管型发展到晶体管型，再从晶体管型发展到集成电路 型。与电子计算机相同，早期的电子式a d 转换器也是采用电子管组装的。进入 五十年代中期以后，才逐渐转向晶体管型a - d 转换器。 从六十年代中期开始，构成a - d 转换器的主要功能单元电路一如运算放大 器，基准电压源，电压比较器，电阻网络，模拟电子开关和逻辑控制电路等以陆 续实现集成化，特别使集成化运算放大器一开始进入大规模工业生产阶段。在此 基础上人们逐渐摈弃了全部由分立元器件组装a d 转换器传统方法，开始选用某 些现成的具有某一种单一功能的集成电路一如集成化运算放大器，逻辑集成电 路，集成电压比较器和集成基准电压源等集成电路单元，并外加一些必要的元器 件，来组装a d 转换器。这种结构形式的a d 转换器，与完全用分立元器件组装 的转换器相比，在一定程度上简化了组装结构。 无论是完全由分立元器件组装的a d 转换器，还是由集成电路单元中附加许 多分立元器件组装的转换器，两者都称为组件型转换器。其中，前者被成为第一 代组件型a d 转换器，而后者被称为第二代组件型转换器，显然第二代组件型转 换器是全集成化a d 转换器的先声。现在国产的许多a - d 转换器多属于第二代组 件型转换产品。 在第二代组件型a d 转换器发展的同时，出现了混合集成电路型转换器( 简 称为混合型集成转换器) 与其它许多混合型模拟集成电路一样，混合型集成转换 器是把分立的晶体管( 或单片集成的具有基本功能的单元电路，或者是单片集成 低位转换器) 粘贴在绝缘层上，再通过薄膜或厚薄膜技术，在同一层上制作电阻、 电容和金属互连线，从而构成具有完整功能的转换器。常见的混合型集成转换器 都是采用薄膜技术构成的。 显然，随着集成工艺的日趋成熟和转换器结构设计的不断进展，混合型集成 a d 转换器中所包含的集成电路的比重也逐渐上升。开始时，转换器中所包括的 器件都是分立的晶体管，元件( 如电阻，电容) 几乎全部采用薄膜或厚薄膜工艺 制作的。后来逐渐日1 入单片式集成运算放大器等集成电路；接着，单片低位集成 化转换器也被引入到混合型集成高位a d 转换器。 1 9 7 1 年诞生了第一块单片式高位集成化转换器( 转换器中，所有元器件都 被制作在单片芯片上) ，这标志着集成a d 转换器完全进入工业生产新阶段【3 l 。 此后，在国际上，集成a - d 转换器几乎以微处理器相等同的发展速度急速地取得 进展和技术突破。与组件型或混合型转换器相比，单片式集成转换器具有生产成 本低和良好温度特性的优点，免除了旷日费资地对分立元器件的精挑细拈工作。 因此没过多久，单片式集成化转换器就成为a d 转换器的主流。 诚然，单片式集成a - d 转换器的出现，反映了集成工艺和半导体制作技术的 进步：然而，另一方面，由于单片式集成转换器日益显示出优越性，更激起了人 们对它的进步探求热情，从而大大促进了集成工艺和半导体制作技术向纵深发 展。特别是集成a d 转换器内部，既含有模拟集成电路，又包括逻辑集成电路， 因此通过单片式集成a d 转换器的制作，在设计技巧以及工艺技术方面，使模拟 集成电路和数字集成电路彼此融合在一起，为模拟与数字系统的进一步结合开创 4 了良好的先例。 1 3 集成a - d 转换器的技术进展4 自1 9 7 1 年收盘单片式集成转换器商品出现于市场，a - d 转换器技术一直以 惊人的速度持续发展；一方面，许多传统的半导体工艺技术和器件纷纷被引用到 a d 转换器的制作中，另一方面为研制集成a d 转换器而新发展起来的工艺方法 和设计技巧又被应用到其他半导体器件或集成电路的制作中。 由于集成a d 转换器的内部既包含模拟电路，又包含数字电路，因此在发展 数字一模拟两者相结合的集成电路产品时，它很自然地成为领头产品。 到目前为止，双极型与m o s 型器件( 或集成电路) 仍是半导体领域内并行发 展的两大分支。如何将双极型( 或电路) 的低功耗与高集成度巧妙配合使用，并 统一在一个电路内，曾是许多专业设计师们十分关注的问题，而集成a d 转换器 在这一方面已迈开了可喜的第一步。近几年来，各种类型的双极m o s 相容型集成 a d 转换器不断涌现。可以预计，今后在这方面将会取得更惊人的突破。 单片式集成a d 转换器现在正朝下述四个方面急速发展： ( 1 ) 扩大位数和提高速度 1 2 位单片式a d 转换器已成为大宗商品：具有更高分辨率的单片式a d 转 换器正在研制中，这既有赖于工艺控制精度的提高，又借助于结构设计的改进。 转换器高的转换速度一直是人们所追逐的重要技术指标。为此人们发展了像 并行比较型结构的a d 转换器，其转换时间可高达到几十毫微秒。应该说，转换 速度主要决定于转换器的结构设计和内部器件类型，而不是有待于制作工艺的完 善。 ( 2 ) 提高集成度 在提高集成度方面，比如将多通道a d 转换器中的倍增器，缓冲锁存器，电 压基准源，电压比较器，电流或电压放大器等单元电路统统集成在一块芯片上。 除了扩大位数以提高转换器的集成度外，今后单片式集成a d 转换器完全有可能 超越单纯的模一数转换功能，而逐渐发展成为复杂的数据采集系统和输入一输出 装置。 ( 3 ) 与微处理器兼容 力求在不附加逻辑电路( 或只需外加很少逻辑电路) 的前提下，使单片式 a d 转换器直接与微处理机配合使用。 ( 4 ) 降低制作成本和售价 第二章集成a - d 的参数 2 1 a d 转换器的主要参数5 ( 1 ) 分辨率 分辨率是转换器最基本的，也是最重要的参数之一。a d 转换器的分辨率是 指转换器能够分辨最小的量化信号的能力。对于二进制的n 位分辨率的a - d 转换 器，它所能够分辨的最小量化信号或量化电平的能力为2 “位。例如，对于一 个1 2 位的a d 转换器，它能分辨最小量化电平的能力达2 ”= 2 0 4 8 位。 ( 2 ) 最高有效位 最高有效位是指带有最高数值权重的数字输入位，或与此相对应的模拟输入 电平位移。最高有效位常以“m s b ”表示。在二进制加权a - d 转换器中，与m s 8 ( 最高数字输出位) 相对应的模拟输入电平位移为f s 2 。这里f s 为满刻度输入 模拟量。 ( 3 ) 最低有效位 最低有效位是带有最低数值权重的数字输出位，或与此相对应的模拟输入电 平位移，常以“l s b ”表示。在二进制加权a d 转换器中，与l s b ( 最低数字输 入位) 相对应的模拟输入电平位移为，贬。 二 ( 4 ) 精度 精度是a d 转换器的另一个基本且重要的参数。通常通过误差来反映转换器 的精度，并有绝对精度和相对精度之分。为了有利于对定义的理解，绘出图2 一 l 作为定义精度( 或误差) 的模型。 i 图2 一l 定义a - d 转换器的模型 ( 5 ) 绝对精度 绝对精度反映了实际的a d 转换器的输出接近理想a - d 转换器输出的精确程 度。此时两个转换器的模拟输入信号a 相同，基准电压也都采用理想的基准电压 v 。 ( 6 ) 绝对误差 绝对误差是指实际a d 转换器的输出d 与理想a d 转换器输出d j 之差( a d ) 。但两个转换器具有相同的模拟输入信号a 和理想，基准电压( 见图2 2 ) 。 绝对误差可用图2 2 表示。 刺 仆 糕 羽 辚 d 图2 2a d 转换器的绝对误差 ( 7 ) 相对精度 相对精度也是衡量a d 转换器的输出与理想a d 转换器的输出接近的程度。 两者均采用相同的模拟输入信号a ，并都采用实际基准电压k ( 此点与上述绝对 精度不同) 。相对精度有时也称比率精度。 ( 8 ) 相对误差 相对误差是指实际a d 转换器的输出d 和理想a d 转换器的输出d 之差。 此时两者使用相同的模拟信号a ，并都采用实际的基准电压v ( 此点与上述绝对 误差不同) 。相对误差有时也称为比率误差。 ( 9 ) 数字误差 数字误差是指实际a d 转换器和理想a d 转换器两者都加相同的模拟输入信 号a 和基准电压时，所出现的输出差异。但是此时理想a d 转换器中只有数 字部分是理想的，而模拟部分和实际a d 转换器一样是不理想的。数字误差又可 分为量化误差和重复性误差。 ( 1 0 ) 量化误差 a - d 转换器的量化误差是因量化单位有限而造成的误差，也可称为最低有 效位误差( 土韶) 。这是因为对于理想a d 转换器，a 输入与d 输入应一对 z 应。但对于实际a d 转换器，虽然a 输入变化了a ，但d 输出不一定改变，所 以在a 的范围内，d 具有不稳定性。通常称a = ! l 钮量化误差，减少量化误差 7 的办法只有提高分辨率。a d 转换器量化误差有时也称为分层误差。 ( 1 1 ) 重复性误差 重复性误差是由模拟或数字漂移造成的，它说明相同的各次测量之间存在着 差异。重复性误差有时也称为精确度。 ( 1 2 ) 模拟误差 模拟误差是指实际的a d 转换器和理想的a d 转换器都加上相同的a 和k 以 后，在输出d 中所出现的差异。但此时理想a - i ) 转换器中只有模拟部分是理想的。 而数字部分和实际a d 转换器一样，是不理想。 模拟误差分为失调误差，增益误差，非线性误差和失误码误差( 见图2 3 ) 。 ( 1 3 ) 失调误差 失调误差是指实际a - i ) 转换器在零输入时的数字输出值。从图2 3 ( b ) 不 难看出，失调误差在传递函数的整个范围内是恒定不变的。 ( 1 4 ) 增益误差 增益误差是a d 转换器所传递函数斜率的变化。它是由于转换器增益的标称 值发生变化而引起的。从图2 3 ( c ) 可以看出，增益误差与a d 转换器的输出 成正比。 输入梗拟量 ( ) 删 仆 蒙 羽 辗 删 仆 糕 羽 辚 输入模拟量 ( b ) 输入模拟量 ( a ) 理想传输特性； ( b ) 具有失调误差时的传输特性； ( c ) 具有增益误差时的传输特性： 图2 3a - d 转换器的输出特性( 以三位a - d 转换器为例) ( 1 5 ) 非线性误差 非线性误差是a d 转换器的是传递的函数与理想传递函数的最大偏差，一般 把它的最大值定义为。! 脚。 z ( 1 6 ) 失误码误差 失误码误差是由于存在过度的微分非线性而引起的误差。它有可能导致个 或几个码失误。 ( 1 7 ) 动态误差 动态误差是指实际a - d 转换器两者都加上相同的交流信号a ( t ) 和相同的圪 以后，输出d 所出现的差异。当然，在做这种比较时，我们把理想a - d 转换器看 成是真正理想的，以致认为频带可以达到无限宽。 ( 1 8 ) 转换时间。 转换时间。是指a d 转换器完成一次转换所需要的时间。也就是从开始采样 输入模拟信号时起，到有效的数字数据转换完成的那一时刻为止的时间。显然， 这个转换时间将包括输入多路传输器的切换时间，缓冲放大器的建立时间和采样 时间，以及实际转换所需时间和存入缓冲寄存器所需要的时间( 或执行串一并转 换所需要的时间) 。 ( 1 9 ) 采样时间 采样时间是指输入模拟信号被a d 转换器读出时所需要的时间。采样时间也 称为孔径时间。 ( 2 0 ) 阶跃响应时间 阶跃响应时间是指a d 转换器输出信号跟上阶跃的输入信号所需要的时间。 ( 2 1 ) 恢复时间 恢复时间是指输入模拟信号从某一规定的过值状态回到正常值以后，a d 转 换器回到正常工作状态所需要的时间。 ( 2 2 )转换频率 转换频率是指a - d 转换器在单位时间内所能完成的转换次数。 ( 2 3 ) 采样频率 采样频率是指a d 转换器在单位时间内读取输入模拟信号的次数。 转换速度 ( 2 4 ) 传输延迟 传输延迟是指从采样时间的中心到产生数字输出的瞬间的时间延迟。在描述 高速a d 转换器的交流特性时，此参数特别重要。 2 2 超高速a - d 转换系统的结构 通常，一个超高速a d 转换器往往是一个大功耗，高集成度的i c 器件，要 想实现超高速a d 转换功能，在制作工艺不变的情况下，电路的结构自然成为 a d c 设计者所面临的首要问题o “。超高速a d 转换器的主要有全并行( 闪铄型) 结构，二步式结构，折迭插入式结构和每级一位结构。 2 2 1 全并行 d 转换器7 圈2 - - 48 位全并行a d 转换器原理框图 上图2 4 为一个8 位全并行a d c 的工作原理框图，它主要由分压电阻串， 比较器阵列，锁存器阵列，编码器和输出寄存器组成。一个具有8 位分辨率的 a d 转换器，要求有2 8 1 = 2 5 5 个比较器。外接基准电压儿经电阻网络分压， 分成每份都等于1 l s b 电压值的2 5 5 等份。输入信号进来后，转换式同时进行的。 输入为o 时，全部比较器关闭；输入为1 l s b 的电压值时，最低位的比较器翻转； 输入电压继续增加会有越来越多的比较器改变状态。当输入为一个斜波信号时， 比较器输出为一个s 形曲线。输入信号高于门限电压时，比较器输出为逻辑值1 ； 反之，比较器输出为逻辑值0 。在a d c 时钟同步信号下，一系列数字锁存器( 每 个比较器后接一个锁存器) 对比较器输出状态进行判断并锁存。锁存器输出数字 信号然后经编码器编写成输出所需的数字码。 这种转换器的突出优点是结构简单、速度快。它可以称为迄今为止速度最快 的一种a d 转换结构，其转换速度只受比较器和门延迟时间的限制，比较过程一 次完成。多数高速和超高速a d 转换器都是采用这种结构。但是，全并行a d c 的 超高速是以牺牲器件功耗而得到的。一般来说，全并行转换结构存在以下不足： ( 1 ) 成本高、功耗大、元件多、芯片面积大。由于一个n 位a d c 至少需要2 ”一1 个等值分压电阻、2 ”一1 个比较器。2 ”一1 个采用锁存器以及相关的数字编码器 和寄存器等，因此随着分辨率的增加，转换器内部原件数目以几何级数增加。所 以，全并行a d c 的分辨率不能做到很高，以目前的工艺水平仅能做到1 0 位分辨 率。而且，这样一个1 0 位全并行a d c 的成本、功耗和芯片面积等都大得惊人， 仅适合于某些军用和专用系统。 高撑蹒鸯庄 ( 2 )输入电容大。使用中必须外接一个功率缓冲放大器来驱动a d c 输入，而大 电流驱动又容易引起过冲、振荡、噪声及大失真等问题。 ( 3 )电路内部的数字连线太多，数字电路产生的噪声对模拟电路造成的影响， 会破坏模拟电路的灵敏度。 ( 4 )一个8 位全并行a d c 内部又至少2 5 6 个采样锁存器。在整个满刻度模拟输 入范围内，转换器每进行一次转换，采样锁存器仅作出一次判断锁存。而且，此 判断的结果决定了转换器输出码的变化。很明显，采样锁存器的使用效率不高。 通常，全并行a d c 中比较器阵列的是温度计码。在温度计码中，只有o 与1 之间的数字瞬变位置直接包含了与输入模拟信号相关的信息。因此，全并行结构 中的比较阵列包含了多余的信息。 2 2 2 二步式d 转换器 v l s i 技术的日益成熟，不断地推动着a d 转换器朝着超高速，低成本方向 发展。尽管全并行a d c 在超高速领域仍然占据着一定位置。但是，其芯片面积和 高功耗比限制了它的应用。目前，在很多应用领域，二步式a d c 已逐渐取代了全 并行a d c 。虽然二步式a d c 的采样速度仅为全并行a d c 的一半，但其芯片面积和 功耗比全并行a d c 的要低的多。这一点使得二步式a d c 尤其适合于嵌入式系统设 计以及一些超高速民用领域。 二步式a d c 是分区式a d c 的一种简单结构口l 。从降低器件芯片面积和功耗的 目的看，分区式a d c 的子区域越多，所需的比较器越少，功耗也越低。然而，这 样一来，a d c 的转换速度也越低。所以，对一个超高速a d c 而言，二步式结构就 足以满足a d c 的需要。而且，对于8 位a d c 的转换精度，二步式a d c 不需要内部 误差校正或内部电阻修调就能达到要求。 横机萱八v i 8 位数据输出 图2 5 二步式a d 转换器原理框图 上图2 5 为一个二步式8 位a d 转换器工作原理框图。它主要由二个闪烁 a d c ( 一个3 位a d c 完成m s b 部分转换，一个5 位a d c 完成l s b 部分转换) 。一个 高精度d a 转换器，一个减法放大器，一个采样保持放大器，一个输出寄存器以 及相关的时钟控制电路组成。转换开始时，在第一个时钟信号作用下，模拟输入 信号首先被采样保持放大器采样并保持，然后，采样信号被4 位a d c 转换成数字 信号并存入输出寄存器。高精度d a 转换器同时将m s b 部分的数字信号转换成一 个模拟信号。这一模拟信号与采保放大器的保持信号在减法放大器相减，产生的 残差信号经放大器放大后，在第二个时钟信号同步下，再次被5 位a d c 转换成数 字信号。第三个时钟信号出现后，输出寄存器同时输出m s b 和l s b 信号。这样， 8 位a d c 完成了一次转换。 与全并行结构相比较，二步时结构是牺牲了转换速度来换取低功耗和小芯片 尺寸的。一个二步式8 位a d c 在采用3 位+ 5 位的结构形式时，用了3 8 个比较 器；如果采用4 位+ 4 位的结构形式。则仅需要3 0 个内部比较器。由此可见， 在相同分辨率下，二步式结构所用元件要比全并行结构的元件少许多。由于采用 的是两步转换形式，其转换速度最多只能达到全并行a d c 转换速度的一半。二步 式a d c 由于增加了一个采样保持放大器和一个d - a 转换器，其设计难度有所增加。 设计中，内部功能块的设计，单元之间的匹配，减法放大器与第二级闪烁a d c 满 刻度范围的匹配都存在一定的难度。此外，在同一个芯片上集成一个超高速采样 保持放大器难度极大，其建立时间和孔径时间都非常难于控制。内部d - a 转换器 虽然仅需要3 位分辨率，但为了获得8 位的a d c 线性误差，要求其转换精度必须 高于8 位。二步式a d c 的动态性能通常有补偿a d c d a c 环路延迟的采样保持放大 器所决定。为了提高a d c 的动态性能，有时采用两极采样保持电路来储存第二级 a d c 闪烁所需的残差信号。 2 2 3 折迭插入式a - d 转换器 为了减少全并行a d c 中的比较器数量，达到降低a d c 功耗和芯片面积，二又 不损失a d c 转换速度的目的。在7 0 年代后期。a r b e l 等人提出了折迭技术的概 念。在8 0 年代后期，随着集成电路设计技术和工艺技术的迅速发展，折迭插入 技术得到了广大a d c 设计师的重视，成为实现超高速a d c 的主要方法之一【9 】。 2 2 3 1 折迭技术 v 4 第四级 第三圾 第二级 第一级 图2 - - 6 折迭转换曲线 与分区式结构相类似，折迭结构利用一个模拟预处理器对模拟输入信号进行 模拟预处理，将上图2 6 所示的输入信号折迭成一组重复出现的锯齿波。锯齿 波级数由折迭放大器的折迭系数决定。转换器的低精度量化部分( m s b ) 由折迭放 大器生成，而锯齿波本身包含了转换器的高精度量化( l s b ) 信息。理论上，a d c 实现这样一个从是可行的，采用二级4 位闪烁a d c ( 3 0 个比较器) ，不需要采样保 持电路就能实现一个八位a d c 。但是，对一个实际的a d c 器件，随着输入信号频 率的升高，锯齿波形顶部往往会圆化，因而会降低转换器分辨率。实际的折迭电 路采样不使用锯齿波顶部的方法避免这一圆化问题的出现。 图2 78 位折迭插入式a d 转换原理框图 上图2 7 所示为一个8 位折迭结构a 转换器原理框图。模拟预处理器( 折 迭放大器) 通常置于全并行a d c 电路中的比较器与采样锁存器之间，如图2 8 所示，图中，a e 为差分输出闪烁比较器电路，其传输特性为一个互为导向的s 形曲线，两s 形曲线之间的交叉点就是所谓的零交叉点( z e r oc r o s s i n g ) 由于 比较器输出状态不能突变，是的比较器传输特性曲线总存在着一个近似线性的过 渡区。比较器转换速度越快，此过渡区越窄。对于一个斜波输入信号，闪烁比较 器输出为一组s 形曲线( 图2 8 左边) 。模拟预处理器中的折迭放大器将比较器 输出信号进行折迭，生成一个如下图2 8 右下角所示的准正弦形折迭信号。此 折迭信号再输出给一个采样锁存器。 14 * 露豢* 数事轴出 图2 8 模拟预处理器 与图2 6 所示的理论曲线相比较，实际的折迭信号存在很大的差别。实际 的折迭电路不是通过折迭信号的形状，而是通过折迭信号中的零交叉点来进行判 断的。零交叉点的使用，消除了通过模拟折迭系统来精确处理输入信号的必要， 也消除了将后接闪烁转换器与折迭信号范围精密匹配的必要。a d c 转换精度几乎 不受折迭信号不精确的影响。只要折迭信号的零交叉点以与基准电压相同的距离 出现，折迭作用就不会引起线性失真。 在折迭结构中，采样锁存器能够反复多次的对比较器输出信号进行处理，并 能在整个满刻度输入范围所存多个量化电平。与全并行结构相比，大大的提高了 采样锁存器的使用效率。但是，尽管这样，折迭技术并没有减少比较器数量，为 此，还得引入插入技术。 2 2 3 2 折迭电路 对闪烁a d c 而言，比较器中的晶体管差分对是最基本的电路单元。为了确定 出所有的转换信息，一个8 位a d c 至少需要2 5 5 个晶体管差分对。对一个折迭 a d c 的模拟预处理器而言，耦合差分对( c d p ) 是关键元件，模拟预处理器通过 c p d 完成折迭功能。大多数双极性折迭电路都将一个类似于g i b e r t 正弦波发生 器的电路作为c p d 电路，如图2 9 所示，一个c p d 主要由两个输出交叉连接的 差分对组成，其输入一组与输入信号连接，另一组与一系列基准电压连接。当输 入信号在基准电平与之间时，c d p 输出为逻辑高电平；否则，为逻辑低 电平。因此，c d p 也称为折迭比较器。两个c d p 并联可以构成一个差分输出1 位 a d c ( 图2 9b ) ；同理，4 个c d p 构成了一个差分输出2 位a d c 。通常，将这样 一个c d p 并联电路成为一个折迭功能块( f b ) 当一个f b 的折迭系数为8 时，此 f b 具有一个3 位a d c 的功能( 见图2 1 0a ) ，图2 1 0b 所示为f b 差分输出的 折迭波形。很明显，此折迭波形的频率是c d p 输入信号频率的8 位，与f b 的折 迭系数相差。可见，器件的折迭系数限制了a d c 的工作频率。例如，一个折迭系 数为8 的f b 具有3 位a d c 的功能，当它处理一个2 5 0 m h z 的正弦波输入时， 将产生一个2 g h z 的折迭波形，如此高的频率，增加了后级电路的处理难度。所 以，一个a d c 的折迭系数不可能做得很高( 8 ) 岬1 。 。么 s o ( a ) 一个耦合差分对( c d p ) 电原理图 霉二妊 ( b ) 两个c d p 构成1 位a d 转换器 图2 9c d p 及其构成的a d c ( a ) f b 框图( 折迭系数8 ) v i n ( b ) 折迭波形 图2 1 0 折迭功能图( f b ) 框图 16 如下图2 一l l 所示，把几个f b 并联起来既不会影响f b 的输出频率，又可以 增加a d c 的分辨率。设任意二个f b 之间的基准电压间隔3 2 ，由于所有f b 的 输出波形都相同，只是后一级f b 的输出波形较前一级f b 波形滞后了3 2 ，很 显然，后一级f b 的输出代码处于前一级f b 的两个输出代码之间，因此，提高了 a d c 的分辨率。四个f b 并联后，a d c 分辨率可增加2 位。考虑到f b 本身的3 位 分辨率，四个并联的f b ( 3 2 个c d p ) 能产生一个5 位的分辨率。应当注意到， 在实际电路中，受到电路功耗和集成度的限制。f b 的并联级数不可能很多，通 常为4 8 级。 2 2 3 3 插入技术 v 1 , , b 2 9 3 8 4 璁，培6 j 8 7 j 8 图2 一1 1f b 并联结构 v i n 原理上，利用插入技术，可以简单地去掉n 个比较器中的n 一1 个比较器， 然后，在剩余的两个相邻比较器输出之间插入n 个等值电阻，通过等值电阻对相 邻比较器输出信号的分压作用，来获得已去掉的n 1 个比较器应该产生的信号。 这里，n 通常为2 一1 6 ，n 太大，容易引起a d c 失真。插入技术利用了这样一个 事实：即闪烁比较器往往是非理想的，当比较器输入电压超过其基准值时，比较 器输出状态不可能产生突变，而是跟随着输入信号在一个有限的过渡区内近似线 性地变化到其最后的输出状态的。只有非理想的比较器才能保证插入技术的实 现。只要比较器输出信号中的零交叉点没有改变，比较器输出信号中所包含的信 息就不可能丢失，插入技术就不会影啊a d c 的转换精度。 如图2 一1 2 所示为一个实际的插入电路，这里的插入是在f b 后面，而不是 理论上的比较器的后面。图中，f b 输出为一个准正弦波信号，f b l 与f b 2 的基准 电压相差1 6 ，因此，f b 2 产生的信号将滞后1 6 ，8 个等值电阻的插入，将 二个f b 的输出之差等分成8 等分，因而，在每个插入电阻的分压节点上都同时 产生了一个k 1 2 8 的间隔( 图中虚线所示) 。从而利用8 个f b ，而f b 产生的信 号又没有丢失。 2 2 3 4 总电路结构 7 0 八一 弘v 叠 图2 一1 2 插入电路及其波形 在图2 7 中所示的一个8 位折迭插入式a d c 框图中，模拟信号k 。在4 级并 联f b 的输入端与k 产生的一系列基准电压相比较，比较结果经f b 折迭后生成4 级折迭信号。f b 输出信号通过8 个等值电阻r 的插入后，恢复成3 2 个折迭波形。 3 2 个采样锁存器对折迭差分信号进行锁存，处理，生成一组二进制循环码( 或 格雷码) ，然后送编码器编码，最后产生a d c 的8 位二进制锁存数据。折迭插入 结构中的采样锁存器和编码器类似于全并行a d c 中的相应器件，采样锁存器往往 采用边沿触发的e c l 电流导引结构。图中的复位置位线用于检查转换器输入的 溢出状态，当输入溢出时，它使输出寄存器置l 或置o 。折迭插入式a d c 不需要 内部采样保持放大器，其转换速度与全并行结构的转换速度相当，而二步式结构 需要二个时钟周期来转换数据。通过模拟预处理器实现了减少比较器数量的目 的：3 位( c d p ) + 2 位( 并联) + 3 位( 插入) ，相当于3 2 个比较器。采用耦合 差分对( c d p ) 结构，使得m s b 转换和l s b 转换通道相互独立，从而不需要内部 采样保持电路和d a 转换器。折迭结构的低功耗和小信号工作方式，容许a d 转 换器具有大的输入带宽。 由于存在折迭系数需要更多的精密比较器，较高的折迭系数又会引起较多的 预处理硬件问题，因而，折迭插入式a d c 的设计难度较大。采用插入技术可以减 少转换器所需的c d p 数，从而达到了降低器件功耗，提高a d c 动态性能的目的。 为了减少a d c 的失真，应当适当选择插入系数。由于插入技术是在假设比较器转 换曲线在零交叉点附近近似线性条件下实现的，而f b 后接的采样锁存器又只对 折迭信号的零交叉点进行判断，若插入系数过大( 1 6 ) ，则容易造成折迭信号在 零交叉点附近的非线性，使a d c 出现失真。 孤匹蛉妊b孽 刚 眦 第三章a d 转换器的传递函数和采样理论 3 1 传递函数 在前面章节已经指出：a - d 转换器是一种编码器，并且可以用关系式”i 。= c s 训 来进行描述。式中，a 为输入模拟量，a 。为模拟基准量，d 为输出数字量。 在前面章节，我们曾给出d 的表达式： d = 口2 1( 3 - - 2 ) 即d 是一个小于l 的二进制数( 式中，口，是为0 或1 的系数；n 为位数) 。将( 3 1 ) 和式( 3 - - 2 ) 结合，有 。= q 2 2 石a 注意到现在的研究对象是a = ( 输入模拟电压) 和一。= ，( 基准电压) ， 则有 。= 驴n = 去 ( 3 3 ) 式( 3 - - 2 ) 和式( 3 - - 3 ) 即为a - d 转换器的传递函数。 3 2 采样过程和理论 3 2 1 采样过程 从某种意义上说，a d 转换器的工作原理类似于采样和保持过程，虽