（微电子学与固体电子学专业论文）高速高精度adc的一种构成方法的研究.pdf

独创性声明 删| | l | l i i | i l | | l l i i l l l | | i i | l l l l l l | l l l | l i l l l m l y 18 2 4 6 7 7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得重麽邮电盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：；( j l 秦镟 签字日期： 知9 缉么月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞邮电盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权一 重麽邮电太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 霉位论文作者签名：堑1 秦寻羡 导师签名： 签字日期：砂多年z 月咖 签字日期：g 上辛毒6 月叶日 重堕墅塑生墼塑! _ _ _ - - _ _ _ _ - _ - - i - - - 一 j h * 摘要 模数转换器( a d c ) 被广泛应用于视频、无线通讯、军事等领域，随着 m c u d s p 性能的提高，使得实时、高精度的数据处理( 如f f ，r ) 可以轻松实现， 而从传感器采集数据的高速、高精度模数转换器( a d c ) 就成为系统的关键。更 高的速度和位数意味着更高的实时性和灵敏度，因此如何研究和生产高速、高精 度模数转换器( a d c ) 就显的非常重要。 目前世界上构成a d c 的方法很多，传统的有并行、逐次逼近型、积分型， 也有近年来新发展起来的- 型，流水线型，时间交叉存取型。就- 型而言也 分为直接过采样型，预测型，噪声整形型等。多种类型的a d c 各有其优缺点并 能满足不同的应用场合需求。低功耗、高速、高分辨率是新型的a d c 的发展方 向，但a d c 的发展除了与设计方法有关，对工艺的依赖程度也很高。 文章作者在深入研究了各种a d c 的构成原理后，根据我国工艺水平，提出 了一种用多片低位高速a d c 构成高位高速a d c 的方法，该方法与时间交叉方法 相比，降低了对时钟抖动和系统复杂性的要求；与流水线a d c 相比，降低了对 工艺和采保的要求，因此很好的解决了速度和精度的矛盾。文章详细分析了a d c 的重要参数原理，并从信噪比计算公式推导开始，利用概率论相关原理，分析多 片a d c 组合可以使系统的判决电平增加，采样精度提高，并给出了该a d c 构成 方法的数学模型。第三章在该方法的指导下，搭建了硬件验证平台，并用硬件语 言v b r i i o g 编写相应的纠错代码。最后根据测试要求，在满足相干采样条件的情 况下，利用逻辑分析仪对采样数据进行缓存，同时进行f f t 变换和加窗处理，最 后分析a d c 的s n r 等重要参数的变化。 试验证明，利用该方法由两片a d c 构成的系统信噪比( s n r ) 相对于单片 a d c 的s n r 可提高3 5 d b ，四片a d c 构成的系统的s n r 相对于单片a d c 的 s n r 可提高7 d b 左右。同时系统a d c 的无杂散动态范围( s f d r ) 和单片a d c 相比也有很大的提高，这一结果与理论分析数据基本吻合。 与其它a d c 构成方法相比，该方法最突出的优点是在满足系统a d c 性能要 求的同时可以降低了对单芯片a d c 设计难度和工艺难度的要求，因此利用该方 法我们在采用高性能的单片a d c 的基础上可以进一步提高系统a d c 的性能，由 该方法构成的系统a d c 可广泛应用于雷达，导航，遥感等对a d c 参数要求较高 但对功耗和尺寸不敏感的场合。有很高的实用价值。 关键字：微分非线性积分非线性信噪比无杂散动态范围傅立叶变换 a b s t r a c t a d ch a v eb e i n gu s e dw i d e l yi i lv i d e o ， 0 t h e rf i e l d s 。蠲m c u d s pp e r f 0 瑚1 a i l c e w i r e l e s sc o m m u i l i c a t i o n ， m i l i t a 巧， a i l d e n h a n c e i i l e n t ，m a l 【i n gr e a l - t i m e ，1 1 i g h p r e c i s i o nd a t ap r o c e s s i n g ( s u c h 弱f i 呵) c 孤b ea c l l i e v e d ，s ot l l ea d cm a ts 跗l p l i n g 舶m s e n s o rb e c o m et h ek e yo fm es y s t 锄h i 曲c rs p e c da n d t l i g h c rp r e c i s i o nm e a l l st h a tm e r e a l - t i m ea i l ds e n s i t i 、，i t y h o wt 0d e s i 盟也eh i g l l - s p e e d 觚dp r e c i s i o na d c b e c o m em o r e i l 】 1 p o r t 觚t a tp r e s e n t ，m ed e s i g t l i n go fa d ch a v ea1 0 to fm e 嬲u r e ，i n c l u d e i i l gf 1 础， i n t c g 阳l ，s 甜a 1 ，d m e - i n t e r l e a v e d ，p i p e l i n e d s i g m a d e l t at y p e 。s i g m a - d e l t at y p ea m a l s od i v i d e di n t od i r e c to v e r s 锄p l i i l gt y p e ，f o r e c a s t i n g ，n o i s es h 印i n gt y p e v 撕o u s t ) p e so f a d 锄de a c hh 镐“sa d v 锄t a g e s 锄dd i s a d v 锄t a g e sa j l dt om e e tt h es p e c i f i c a p p l i c a t i o nr e q u i r e h l e n t s k l w - p o w 盯，h i 曲一s p e e d ，h i 曲- p r e c i s i o ni st 嘲1 do ft h en e wa dd e v e l o p m e m ，b mh la d d i t i o nt 0t l l cd e s i 班m e t t l o d s ，m ed e v e l o p m e n to fa d c d e p e n do nt l l em 她u f 犯州n gt e c m l 0 1 0 9 y a c c o r d i n gt 0c l l i i l a t st e c l l l l o l o g yl c v e l ，1 1 1 ea u m o rm a tl 刖er e s e a r c h e dv 撕e t y o fc o n f i g u r a t i o no fa d c ，p r o p o s e dam e m o dt h a tu s i n gs o m eo fh i 曲- s p e e d ， l o w - p r e c i s i o na dm a k eu po f1 1 i 咖s p e e d ，l l i 曲- p r e c i s i o na d cs y s t 锄c o m p a r e i n gw i t h m et i m e i n t e r i e a v e d ，m em e m o dr e d u c em ec l o c kj i t t e ra 1 1 dc o m p l e x i t y ；c 0 m p a r e i n g w i m m ep i p e l i i l e da dt h em e t l l o dr e d u c er e q u i r e m e n t sf o rm a n u f a c t u _ r i n gt e c t l o l o g y ， 9 0 0 ds p e e da n da c c a c yo fm e s o l u t i o no fc o n t r a d i c t i o n s t h ea n i c l ed e t a i l e da 1 1 a l y s i s t l l ep r h l c i p l eo fa d sp 麟l i l l e t e r s ，a n dt h ec a l c u l a t i o no fs n rf o m u l ad 舐v e d 舶m t 1 1 es t a r t ，西v e l l 戗l em 甜l o d sm “h 锄a t i c a lm o d e l u n d c rm eg u i d a l l c eo ft h em e t h o d ， t h ea u t h o rb u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f 6 加b yf o l l ra d 9 2 4 5a n ds u c c e s s m l l yv e r i f l e dm e m e t h o d c o m p a r e dm es i n g l e c h i pa d ，铆oc 脚a d8 y s t 锄s n rm r e 硒e d a b o u t4 ( 1 b ，f o l l rc h i pa ds y s t c m s n ri n c r e 嬲e da b o u t8d b t h er e s u nm a t c hu p t 0 m e o r e t i c a l 锄a l y s i s ，吐l ep a i to f d i 西t a le 玎0 rc o 仃c c t i o na c h i e v e db yc p l dp r o 伊猢1 n g t h e r e f o r em e t h o dc a i lb eu s e dw i t hm el l i 曲p e r f o m a n c es i n 舀e c l 邮a d 缸恤e r e i l l l a n c e da dp 幽咖a 1 1 c e b ym em e m o do f t h ea ds y s t 锄c 孤b ew i d e l yu s e d i n r a d 甄n a v i g a t i o n ，撒dr e m o t es e i l s i n go c c a s i o n st h a th a v eah i 曲r e q u i r e df b rm e a d p a r a m e t e r s s ot h em e t h o d h a v eh i g h c rp r a c t i c a lv a l u e 融帅r o “：d n l 矾ls n rs f d r i i 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要l a b s t r a c t 1l 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2国内外现状1 1 2 1 国外a d c 转换器的现状与发展前景1 1 2 2 国内a d c 转换器的现状与发展一2 1 3 本课题研究意义2 1 4 本论文研究的目的和内容3 1 4 1 研究目的j 一3 1 4 2 研究内容- 3 第二章a d c 构成方法的理论介绍4 2 1 常用a d c 转换器结构介绍4 2 1 1 并行比较a d c 。：4 2 1 2 一型a d c 4 2 1 3 流水线型( p i p e ii n e ) a d c 5 2 1 4 模块集成型( m c m ) a d c 5 2 1 5 多片a d c 组合方法6 2 2a d c 的主要技术参数指标7 2 2 1a d c 动态性能参数定义7 2 。2 2a d c 静态性能参数定义1 1 2 3 多片a d c 构成方法理论推导1 3 2 3 1a d c 信噪比和l s b 的关系：。1 3 2 3 2 时钟抖动对信噪比的影响1 5 2 3 3 低位a d c 构成高位a d c 的原理推导1 6 2 3 4 总结2 l 第三章验证平台设计2 3 3 1 引言2 3 3 2 原理图设计2 3 3 2 1 系统构架2 3 3 2 2 输入模块2 4 3 2 3a d c 模块2 5 3 2 4 纠错模块2 7 重塞坚皇盔堂堡主笙苎 目录 一- ： 3 3 硬件程序。2 8 3 4p c b 设计3 4 3 4 1 引言一3 4 3 4 2p c b 设计注意事项3 4 第四章数据分析3 7 4 1 。引言3 7 4 2 测试方法介绍3 7 4 2 1 静态输入输出测试方法。3 7 4 2 2 动态f f t 测试方法3 8 4 3 频域动态测试方法及理论基础一3 8 4 3 1 连续时间的抽样3 8 4 3 2f f t 变换4 0 4 3 3 对周期序列进行频谱分析时出现的频谱泄漏及加窗处理4 1 4 3 4 相干采样条件建立4 2 4 3 5 相干采样中常出现的问题及对应解决方法4 3 4 3 6 栅栏效应与频率分辨率4 5 4 4 窗函数技术4 6 4 4 1 窗函数特性4 6 4 4 2 选择恰当的窗函数4 6 4 5 试验过程及结果4 8 4 5 1 系统测试结构4 8 4 5 2 系统测试过程4 8 4 5 3 结果分析4 9 总结5 3 致谢5 4 参考文献- 5 5 附录a ：主要成果5 7 附录b ： m a tia b 编程a d c 测试程序5 8 里星型堡型塑望型三主塑生一 笙二童笪堡 一一 印早钥比 1 1 引言 第一章绪论 a d c 转换器的功能是将模拟信号转换成能执行数字处理的二进制代码。采用 数字信号可以实现各种先进的自适应方法，完成模拟电路无法实现的功能，因此 把模拟量转换成数字量输出的接口电路- a d c 转换器成为是电子技术发展的关键 和瓶颈所在。在设计和生产工艺不断进步的推动下a d c 转换器的时钟频率和位 数不但提高。由于国内高速高精度a d c 转换器设计水平和单片工艺加工能力与 国外先进水平都有一定的差距，导致大多数高端产品还要依赖进口，因此研制能 满足科研和生产需求的高速、高精度a d c 就成为当务之急。 1 2 国内外现状 1 2 1 国外a d c 转换器的现状与发展前景 在通讯、雷达、卫星等民用及军用需求的推动下，各大跨国公司利用其先进 的设计技术和特有的工艺技术继续在高速高精度、低功耗、小体积上快速发展。 a 舀l c n t 公司采用0 1 8 “mc m o s 技术制作出8 位2 0g s p sa d c 转换器代表了8 位a d c 转换器的最高水平，t i 公司推出了1 4 位1 2 5m s p sa d c 转换器，低功耗 a d c 转换器的代表产品水平是h l 缸e o n 设计中心的功耗仅l om w 的6 位a d c 转 换器，其采样速度最高达到6 0 0m s p s ，a d c i 公司利用v c o r p 公司的先进滤 波串技术，开发高速( 2 0 0 8 0 0m s p s ) 高分辨率( 1 2 、1 4 和1 6 位) 转换器， 同时a d c i 公司还采用m c m 工艺推出了具有特定信号处理功能的a d c 转换 器，美国t e 认s i c 通讯公司采用o 5 肛ms i g eb i c m o s 技术制作的t c l l 4 1 0 ，据 称是目前最高速度的单片1 4 位a d c 转换器，该公司还采用o 1 2 ms i g e 双极技 术，制作出3 位4 0g s p sa d c 转换器，主要应用于雷达领域。其中1 6 位1 0 0 2 0 0 m h z 及8 1 0 位1 0 g h z 的高性能a d c 转换器是新一代先进雷达、电子占和 通讯电子系统的关键器件之一，它们是重点发展目标； 垩塑塑堕堑壁望堕兰垒窒一 笙二童堡垒 一 月。十硐p 【- 1 2 2 国内a d c 转换器的现状与发展 国内经过十几年的a d c 转换器技术研究，基本掌握了f l a s h 、s a r 、分 区式、流水线等结构的a d c 转换器设计技术，但与国外相比产品水平差距较 大，1 0 0 m h z 以上的高速a d c 转换器和1 4 位以上的高精度a d c 转换器还没有 取得突破，包括单片和m c m 。除了自身设计能力的限制外，工艺制造技术与国 外相比差距最大，高性能的a d c 转换器还只能到国外f o u n d r y 线上流片。另 外，测试技术也有一定的差距，主要体现在生产测试上。目前，国内研发a d c 转换器的军工厂家主要有2 4 所、2 1 4 所、7 7 1 厂、7 7 2 厂等，一些高校和公司也 加入到a d c 转换器研发行业，如成都华微、复旦微电子、中科院等，其中2 4 所 基本代表了国内的最高水平。由于国内a d c 转换器单片工艺条件的限制以及 m c m 工艺的快速进步，以及国外对我国高性能a d c 转换器产品的禁运，国内越 来越多的单位开始采用m c m 工艺来研制高速高精度的a d c 转换器。 1 3 本课题研究意义 在科技飞速发展的时代，国与国之间的竞争就体现在科技上的竞争，因此国家 制定发展自己重大核心技术的目标计划。作为半导体产品中的关键元器件a d c 有着广泛的用途，并且成为雷达，导弹，遥感的系统的核心器件，在某种程度 上，a d c 的性能就决定了该系统的性能，因此a d c 也成为国家重点发展项目， 由国内外现状我们可以看到，国内a d c 的发展与国外相比还有一定的差距，工 艺水准，设计软件，设计方法都是制约我们发展的因素，依靠国内水准，当单片 a d c 发展到1 4 位5 0 m h z 的时候，精度提高一位都是非常困难的，而在高速高 精度a d c 中几乎绝大多数都是运用p i p e i i n e 结构，这种结构对工艺要求很高， 尤其是其中的s ，h 电路中的寄生电容，设计出的版图很难确保在工艺线上可以实 现，而与此同时，对于雷达等系统，如果a d c 能提高一位，就意味着精度提高 了一倍，雷达探测距离和识别水平都会大幅度的提高。 在这种情况下，利用现有单片a d c 搭建系统a d c 就可以在一定时期缓解 这种矛盾，时间交叉存取结构可以用s o c 方法解决。在制作上可以用m c m ， p c b 方式实现，但这种方法的局限性在于构成的系统相对于单片来说是速度翻 倍，精度不能提高，况且随着速度提高到1 0 0 m h z ，由于相位噪声对钟控电路提出 了很高要求，而本文方法采用多个单片a d c 搭建的系统a d c ，精度可以显著提 高，采用两个单片a d c 构成的系统相对单片a d c ，系统a d c 的s n r 可以提高 里塑塑堕堑塑圭笙壅 茎二童堑笙 一 t 日r u 3 5 d b 左右，况且这种方法不依赖于工艺线，在尺寸不做要求的情况下可以用 p c b 来完成，因此该方法对于a d c 要求比较高的国家项目有非常重要的意义。 1 4 本论文研究的目的和内容 1 4 1 研究目的 在不依赖复杂工艺的情况，用p c b 方式将四个a d c 芯片通过纠错模块组成 为一个系统a d c ，使该系统的s n r 显著提高，达到实用要求。同时该系统所用 核心芯片都立足于国产，本课题研究的目的在于创造出一种构成a d c 的新型方 法，从理论上加以阐述，并通过搭建实际系统平台验证，从原理推导到硬件平台 原理图的设计再到数据纠错程序的编写逐步积累经验，为以后该方法的投产进行 预研探索。 1 4 2 研究内容 理论推导：深入了解几种典型a d c 的构架原理， a d c 的静态和动态参 数指标，包括a d c 的常用测试方法，从原理上阐述该方法的理论依据。 平台设计：依据理论推倒进行原理图设计，其中包括器件的选型和c p l d 硬件程序的编写，然后根据原理图设计进行p c b 的设计。 制作调试：在p c b 上焊接元器件，烧写程序，然后进行功能调试。 测试分析：将制成的p c b 用逻辑分析仪进行测试分析，依次在c p l d 上 烧写不同的纠错程序，对同一个模拟信号进行数据采集，比较一个a d c ，两 个a d c 组合。四个a d c 组合之间采集数据的s n r ，最后得出结果。 重塞坚皇盔堂堡主笙奎第二章a d c 构成方法的理论介绍 二l 一：= = ：= ：= ：三：! ：! 二= 第二章a d c 构成方法的理论介绍 2 1 常用a d c 转换器结构介绍 目前，世界上有多种类型的a d c ，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 a d c ，也有近年来新发展起来的- 型和流水线型a d c ，多种类型的a d c 各有 其优缺点并能满足不同的具体应用要求。虽然采用本文介绍的方法组成系统的体 积和功耗比较大，但该方法对制作工艺没有严格要求，容易制作。在此要指出低 功耗、高速、高分辨率是新型的a d c 的发展方向。下面简单介绍四种比较常用 的a d c 。 2 1 1 并行b 匕较a d c 并行比较a d c 是现今速度最快的模数转换器，采样速率可以达到1 g s p s 以上，通常称为“闪烁式 a d c 转换器。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码 器四种分组成。这种结构的a d c 转换器所有位的转换同时完成，其转换时间主 要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时 间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需 的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就 要增加一倍，比较器也近似增加一倍，功耗和体积都是指数增长。所以并行a d c 很少超过8 位。 2 1 2 一型a d c - 型a d c 不是直接根据抽样第一个样值的大小进行量化编码，而根据前 一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲， 它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。- 型a d c 由两部分组成，第一 部分为模拟吕调制器，第二部分为数字抽取滤波器，- 调制器以极高的抽样 频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得 到用低位数码表示的数字信号即- 码；然后将这种- 码送给第二部分的数字 抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。 因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于- 一具有极高的抽样速率， 通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此吕一转换器又称为过抽样a d c 转换 重鏖坚皇奎堂堡主堡奎 一 第二章a d c 构成方法的理论介绍 一一： ：= ：= ：= ：! ：= 器。这种类型的a d c 采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高 精度电阻网络的困难；另一方面，因为它采用了- 一调制技术和数字抽取滤波， 可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的高分辨率的码，不会对 抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不 花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增 量调制型a d c 实际上是以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来换精度。所 以时钟频率一般不超过2 m h z 。 2 1 3 流水线型( p i p e l i n e ) a d c 它由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样，保持放大器、一个低分辨 率的a d c 和d a c 以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级f h j 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 的是s h 对输入信号取样后先由一个m 位分辨率a d c 转换器对输入进行量化， 接着用一个至少n 位精度( n m ) 的乘积型数模转换器( m d a c ) 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a d c 转换器对残余信号进行转换。将上述各级a d c 的输出组合起来即构成高精度的n 位输出。同时流水线型a d c 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。p i p e l l n ea d c 虽然满足了高速高精度，但 依据国内现有工艺很难制作出1 6 位以上的单片器件来。 2 1 4 模块集成型( m c m ) a d c a d c 和d a c 转换器的主要发展趋势是，单片集成以硅为主导发展技术，并 加速以硅为基础的异质结技术的发展；混合和模块集成( m c m ) a d c 转换器则 是军事航天系统的主导产品，将与硅芯片技术并行发展，而且需建立在先进的芯 片技术基础之上；相比较单片集成电路，可以在不依赖于工艺线的基础上将性能 提高，而且可以经过大量试验验证，达到最佳组合效果，比单片集成电路成本 低。本文所提方法亦可以用m c m 方式来实现。 重庆邮电大学硕士论文 第二章a d c 构成方法的理论介绍 a d c - 、l l 飞； 。么二蒡、i f r。州。n l 芗7；i 。、_ 1； k 一 弋。：tv 一 l d e i t a s i g m a ；l 蕞a a r d s 吾丽!f； f 1 真v i c q ii l l ： ， ； i 2 1 5 多片a d c 组合方法 图2 1a d c 类型示意图 n u m b e r0 fb i t s 黯m叫旧讹叫鲫斜删翰m科吖曲 输诱吨于的决。偏用 度秕利篆撕磊晰 栅傈蛩徘嘲腿絮际 组同航 畦晰 鐾胱耋薹折片堋提引酽它剐阳葱黼摊 蒯湍配 托前心 耽缃在刘字存本势不而用也 u u 圭 采 ， 重庆邮电大学硕士论文 第二章a d c 构成方法的理论介绍 平的增加来减小了非相关的噪声，系统构架如上图。因此在不依赖半导体工艺的 情况下，仅仅增加a d c 数量就可以将信噪比提高。相比较流水线型和时间交叉 存取型两种方法更容易实现。下面我们来介绍该方法实现的理论依据。 2 2a d c 的主要技术参数指标 a d c 的参数主要分为静态参数和动态参数。静态参数包括零点误差、增益误 差、积分误差( d 儿) 和微分误差( d n 】d 。其中，积分误差和微分误差是衡量a d c 从最小值到最大值转换过程中的线性度和单调性，比较常用。动态参数包括信噪 比( s n r ) ，信噪失真比( s 玳a d ) ，有效比特位数( e n o b ) ，总谐波失真( t d ) ，无杂 散动态范围( s f d r ) 。动态参数更能反映出电路的应用性能，对其通讯等应用场合 具有更大的意义。 a d c 的品种很多，应用也很广泛，而且高速a d c 的动态性能还具有一定的 复杂性。所以关于参数的定义各个厂商还没有一个统一的标准，但其定义方式大 致相同。在参考国内外著名厂商如m a x 蹦公司、a d 公司、h 删s 公司的技 术手册的基础上通过对各种参数进行理论分析得出下列的部分参数定义。 2 2 1a d c 动态性能参数定义 信噪比s n r ( s i 印a lt 0n o l s er a t l o ) 定义：在给定的输入和采样频率下，满量程正弦模拟输入信号的基频幅度的 均方根( 蹦s ) 与除直流和谐波以外的所有频谱分量的均方根( r m s ) 之和的比 值。数学表达式为 册_ 2 0 1 0 9 器 ( 2 1 ) 其中s s p 为输入信号基波分量的均方根值( i 蝴s ) ，n p 包括量化噪声、热噪声等 所有噪声源之和的均方根。正弦波信号的均方根( 刚s ) 为其峰峰值除以 2 压。 对于一个理想的a d c 而言，其s n r 为： s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 3 ( 2 2 ) 上式给出了一个模数转换电路的理论信噪比值。n 为a d c 的标称转换位 数。显然，n 越大，转换电路的量化误差越小，转换精度也就越高。换而言之， 对于一个1 0 位的a d c 来说，为保证有效转换位数为1 0 位，其s n r 则要达到 6 2 。但实际工作中高速模数转换电路的信噪比都小于理论值，则工作时的实际 重庆邮电大学硕士论文 第二章a d c 构成方法的理论介绍 有效位数将小于器件的标称转换位数。 _ 晴 n o i s 0 重 黑 ；盘 量 s i g n 越 n o i s ys l g 舱i s n ro fi d e a ia d c 6 0 2 n + 1 7 6d b m 忡咖枷“ i i - 州帅洲忡槲吣黼矿一b 恂 t h 匕u u b 州o yl h z ， 图2 3采样s n r 示意图 信噪失真比s 玳a d ( s i 弘a l t o - n o i s er a t i oa n dd i s t o n i o n ) 定义：在给定的输入和采样频率下，满量程正弦模拟输入信号的基频幅度的 均方根( r m s ) 与除直流以外的所有频谱分量( 包括谐波分量和本底噪声) 的均 方根( r m s ) 之和的比值。 删d 。2 叭1 0 8 叠赢 舢、 “，+ 爿， n 其中s s p 为输入信号基波分量的均方根值( r m s ) ，n p 包括量化噪声、热噪声等 所有噪声源的均方根之和，h p 为各次谐波( 除直流外) 的频率分量的均方根之 和。 在计算h p 时，对于所要计算的谐波阶数各个公司有不同的标准。m a x i n 公 司取所有谐波，a d 公司和h a r r i s 公司都是取前6 阶谐波。 在采样频率和输入信号确定后，s 玳a d 的大小反应了模拟输入信号与噪声、 谐波失真之和的比率大小。它综合考虑了信噪比( s n r ) 和总谐波失真t 皿的 两个动态参数。s 玳a d 同时是衡量转换电路动态范围宽窄的一个重要指标，也更 好的反映了转换电路的动态失真。 有效比特位数e n o b ( e 行e c t i v e n 硼曲e ro f b i t s ) 定义：在给定的输入和采样频率下，转换电路的实际转换位数e n o b ( 有效 转换位数) 。 f 厂n n 一 r 一1 ，、f r ，) ：型量堡叁 ( 2 4 ) e f d 8 = 一l o g2 至! 里! 望已 二叶j 4 理想误差 其中n 是转换电路的量化比特位数，a 测量误差为测量噪声平均值，a 理想误差为量化误 重塞堡皇奎兰堡笙窒第二章a d c 构成方法的理论介绍 二一 ：= ：= ：= ：= 差平均值。 e n o b 与s n r 关系密切，从公式( 2 2 ) 可知： 蝴：警 ( 2 5 ) 6 0 2 r 7 或 e ：婴丝二! ：z 鱼 6 0 2 ( 2 6 1 对于一个1 0 位的a d c 而言，在实际应用时得到其e n o b 为9 位，则说明它 产生的噪声均方根值与一个9 位的理想a d c 的转换位数相同。 对于理想的模数转换电路，其误差完全由噪声确定，但在实际的模数转换电 路里，测量误差还包括量化误差、失码、交流非线性、直流非线性、采样抖动误 差等。此外，电路电源上的噪声及a d c 器件的基准源上的噪声也会降低转换电 路的e n o b 。 转换电路的e n o b 是随信号频率变化的一个动态值，它反应了实际高速转换 电路动态工作时的转换位数。 总谐波失真n d ( t 0 t a lh a n i l o i l i cd i s t o n i o n ) 定义：谐波失真( n d ) 是采样信号在频域中的所有谐波分量和的均方根与 输入信号基波分量的均方根的比值。 彻。2 旷1 0 9 蠡 ( 2 7 ) 其中，卿为输入信号基波分量的均方根值，唧为采样所得信号频域中2 次到n 次谐波分量的均方根值。 在模数转换电路中如果输入信号为一个纯正弦波时，采样波形的谐波失真成 分在频域中表现为输入信号频率的整数倍，幅度大小与输入信号频率和幅度大小 有关。 对于参数计算时所取谐波次数各公司有所不同，m a x i n 公司取所有谐波， a d 公司和h a r r i s 公司都是取的前6 阶谐波。 垩壅塑皇奎兰堡圭笙奎 一 第二章a d c 构成方法的理论介绍 二- 二一一 ：= = ：= ：二= p u r 9s l n e 向f 垤 f 阳q u e n c yx s q u e r ew 籼旧 f 憾q u e n c yx p u r es i n e 阳嗍 f f e q u e n c yx x 3 x5 x 卜h - 咖o r l i cc h 8 l a f 6 ii。 x2 ) c 3 x识5 x 图2 4 采样谐波产生示意图 无杂散动态范围s f d r ( s p u r i o l l s f r e ed y n a m i cr 锄g e ) 定义：在给定的频率范围内，最大信号分量( 基波) 的均方根( i m s ) 与最大失 真分量( 除直流以外) 均方根( r m s ) 之比。 ，胆心彳 研硼：2 0 1 0 9 ：竺二竺= 卿 ( 2 8 ) 其中，鼹p 为输入信号基波分量的均方根值，h pm a x 为采样波形频谱中最大失 真谐波分量或最大杂散信号的均方根值。 s f d r 是输入信号幅度、频率的函数，在一些情况下，它还与转换电路的采 样频率有关。从而，在确定转换电路的s f d r 时，需要确定采样频率、输入信号 的幅度及输入信号的频率。 图2 5n 丌变换中s f d r 示意图 在输入信号为纯正弦波时，s f d r 定义为：在整个奈奎斯特频带范围内，基 波分量的幅度平均值与采样输出波形中最大谐波分量的幅度平均值之比。 重鏖坚皇盔堂堡主笙茎 第二章a d c 构成方法的理论介绍 二- 二= = = ：= ：竺：! 竺：! ：! ：! 在一个设计得较好的系统中杂散信号分量应该就是最大的谐波失真分量。 s f d r 对于转换电路来说是一个十分主要的参量，因为噪声和谐波是限制转换电 路动态范围的主要因素。 。 f s 暑8 0 o m s p s ，k 暑2 姗m h z f s = 舯j 嘲m s p s ，钿= 2 1 1m h z 图2 6 采样中相关噪声影响 噪声分为相关噪声和非相关噪声，当输入信号厶和采样频率石互为素数 时，可以认为频谱带内的噪声为非相关噪声，即白噪声，然而当输入信号厶和 采样频率疋为整数倍关系时，噪声表象为相关噪声的形势，虽然噪声总功总量不 变，对s n r 没有影响，但噪声表现为谐波形式，降低了s f d r ，因此采样时要特 别注意。 2 2 2 加c 静态性能参数定义 微分非线性d n l( d i 鼢e n t i a ln o n l i n e 撕t y ) 定义：微分非线性为转换电路实际转换特性中码宽与理想码宽( 1 个l s b ) 的相对偏差。 d 舭= 尘丛怒产( l 舳) ( 2 9 ) d n l 揭示了一个输出码与相邻码之间的间隔，这个间隔可通过测量输入电压 的幅度变化，然后转换为l s b 获得。 一个高性能的模数转换电路应保证“无丢码”，即当输入电压扫过输入范围 时，所有输出码的组合都会依次出现在转换电路的输出端。在d n l 误差小于 士1 l s b 时就能保证转换电路没有丢码。 苦 鲁 暑 。 葛 志= 讷 舀 2 s 7 1 0 2 5 01 5 0 0 1 7 5 02 0 i n p u tv o h a g e m ，) 图2 7d n l 示意图 积分非线性儿( h n 9 伊a t e dn o l l l i n e 撕t ) 一i d e a i a c t u a l m l s s l n gc o d e 10 0 v 孵一2 o v 2 5 7 o 1 筠o1 o 7 2 d n p u l v o l t a g e m v ) a c t u 越“s t 陷i g h t ”u n e d l 嘲s l 喇g h t “懈 v r 苷= 2 。o v 图2 8 烈l 不恿图 砒= 生铲( 三船)( 2 1 0 ) 定义：积分非线性为实际转换曲线相对于理想转换曲线的偏差。 积分非线性玳l 为微分非线性d n l 的积分。 增益误差e 甙g a i n e 仃o r ) 定义：增益误差又称满刻度误差，增