现代电路理论学习精讲课件

1、现代电路理论初步现代电路理论初步 BASIS OF MODERN CIRCUITS THEORY集成电路工艺技术发展集成电路工艺技术发展以数字信号处理和数字电路为以数字信号处理和数字电路为系统核心系统核心片上系统片上系统数字电路优势数字电路优势外部世界接口外部世界接口模拟量模拟量模拟电路与数字电路有相同制模拟电路与数字电路有相同制造工艺；造工艺；MOS器件成为主流器件成为主流课程主要内容：课程主要内容：CMOS模拟集成电路基础模拟集成电路基础电流模电路电流模电路抽样数据电路抽样数据电路A/D,D/A转换器转换器集成滤波器集成滤波器射频前端电路射频前端电路A/DD/A数字电路的主要优点数字电路的

2、主要优点 器件工作在饱和与截止区，工作状态稳定；器件工作在饱和与截止区，工作状态稳定； 二值信号，便于存储和再生；二值信号，便于存储和再生； 由标准门电路、触发器等组成，易于集成；由标准门电路、触发器等组成，易于集成； 广泛利用广泛利用EDA工具；工具；趋势：模拟电路功能由数字电路去实现。趋势：模拟电路功能由数字电路去实现。第一部分第一部分 现代现代A/D、D/A转换技术转换技术A/D与D/A转换器性能提高的主要方向:1、高速度。由于需要数字化的信源带宽越来越宽，从音频、视频到射频，要求转换器的工作速度越来越高。2、高精度。由于需要数字化的信源的动态范围越来越大，人们对数据处理的质量要求也越来

3、越高，因此需要转换器的精度不断提高。3、易于单片集成。目前，实现低成本、低功耗和高可靠性的单片集成系统即片上系统(system on chip, SOC)已成为一种趋势。一个完整的电子系统往往是数模混合集成系统，包括数字电路、模拟电路、模数与数模转换电路。D/A1b2bNbOvMSBLSBNN1i11NiiNObb2b2V 第一章第一章 D/A的工作原理与组成的工作原理与组成1.1 DAC 的基本指标的基本指标1. 精度精度 绝对精度、相对精度绝对精度、相对精度 绝对精度：输入数字码时的模拟输出和期望输出之差，误差来自增益误绝对精度：输入数字码时的模拟输出和期望输出之差，误差来自增益误 差、零

4、点误差、线性误差和噪声等。差、零点误差、线性误差和噪声等。 相对精度：满度校正后模拟值在任意数码时对理论值的偏差，用相对精度：满度校正后模拟值在任意数码时对理论值的偏差，用1LSB的的 百分比表示。百分比表示。2. 线性误差（积分非线性）线性误差（积分非线性） 所测到的转换关系图中的模拟值对直线的偏差，用满度的百分比表示。所测到的转换关系图中的模拟值对直线的偏差，用满度的百分比表示。 3. 分辨率分辨率 模拟输出的最小变化对应满度输出的（模拟输出的最小变化对应满度输出的（1/2N），也可用位数表示。也可用位数表示。4. 调整时间调整时间 输入数据改变时，输入数据改变时，DAC输出达到并保持在对

5、应稳定值附近（一般为输出达到并保持在对应稳定值附近（一般为1/2 LSB对应的电压）所需要的时间。对应的电压）所需要的时间。电流输出型电流输出型DAC的调整时间约为几个的调整时间约为几个ns.5. 信噪比信噪比 S/N=6.02N+1.76dB N=12 S/N=74dB 6. 电源灵敏度电源灵敏度 直流电源变化百分之一时，模拟满度输出变化的百分数。直流电源变化百分之一时，模拟满度输出变化的百分数。 7. 开关时间开关时间 DAC输出由一种状态变为另一种状态所需要的时间。包括延迟时输出由一种状态变为另一种状态所需要的时间。包括延迟时 间、上升时间，但不包括调整时间。间、上升时间，但不包括调整时

6、间。 8. 转换速率转换速率 输入数码满度变化时转换器输出电压变化的最大速率，用输入数码满度变化时转换器输出电压变化的最大速率，用 s/V表示。表示。9. 温度稳定性温度稳定性 用温度系数表示。用温度系数表示。2121TTXXTc X随温度变化的变量随温度变化的变量T温度温度包括：增益温度系数、线性温度系数、偏置温度系数、单极性零点温包括：增益温度系数、线性温度系数、偏置温度系数、单极性零点温度系数等。度系数等。10. 抖动抖动 数码输入发生变化和通过开关的延迟时间不相等，在输出端产生冲击。数码输入发生变化和通过开关的延迟时间不相等，在输出端产生冲击。 发生抖动严重情况：发生抖动严重情况：01

7、11到到1000。RR2R21N N21bbb)bb2b2(2VvN1N11NNREFo 主要缺点：主要缺点：1. 电阻值差异较大，集成设计困难；电阻值差异较大，集成设计困难；2. 精度难于保证。精度难于保证。1.2 并联型并联型D/A转换器转换器1.2.1 电阻权网络电阻权网络DAC)bb2b2(2VIRvN1N11NNREFo 1.2.2 梯形电阻网络梯形电阻网络DACIR R、2R2R结构结构D/AD/A转换器中各支路的电流直接叠加，而且由于运放工作在深度负转换器中各支路的电流直接叠加，而且由于运放工作在深度负反馈状态，两输入端的电压基本相等，使各支路电流在转换过程中保持不变。反馈状态，

8、两输入端的电压基本相等，使各支路电流在转换过程中保持不变。因此不存在传输时间差和电流建立时间，可以具有较高的速度。因此不存在传输时间差和电流建立时间，可以具有较高的速度。工作过程分析：工作过程分析：S0闭合闭合 iN1i1iREFNREFN2REF21REF1b)21(cVbVcbVcbVcQ 总总2. S0 断开断开, 且且S1,SN均接地均接地iN1iiREF0b)21(Vv 特点：电容阵列精度高，特点：电容阵列精度高，温度系数、电压系数等温度系数、电压系数等方面优于电阻网络。方面优于电阻网络。1.2.3 电容加权网络电容加权网络DACiNiiREFAbCVvC 11212)(NNCCA

9、1C2C12 NC电容型电容型D/ A转换器通常基于转换器通常基于“电荷再分配电荷再分配”原理。原理。1.3 串联串联D/A转换器转换器数字信号逐位顺序数字信号逐位顺序(低位在前低位在前)进入转换。进入转换。ovtt 1t2t3t4t5t6t7t8t9tS1闭合闭合S2闭合闭合tt1cvovv175. 075. 05 . 05 . 0375. 0375. 0688. 0688. 01 1 0 1串联串联DAC转换器实现转换器实现T1、T2、T4S1、S2、S3T3、T5抵消时钟信号经抵消时钟信号经T1、T2、T4栅极间电容引起的对栅极间电容引起的对C1和和C2的干扰。的干扰。1.4 适应正负极

10、性工作的适应正负极性工作的D/A转换器转换器DAC正数正数原码原码0vo DAC负数负数补码补码0vo 原码输入：原码输入：01101S1、S4接地接地S2、S3、S5接接VREFSO 闭合闭合电容存储的总电荷为：电容存储的总电荷为：REFV)16C4C2C( S1、 S2、S3、 S4 、S5 接地接地S6 闭合闭合So 断开断开REFAoV3213vv 2. 补码输入：补码输入：10011REFAoV3213vv REFAVCCCCv )(16422REFREFAVCCVCCv )(16821.5 高速高速D/A转换器举例转换器举例分为：分为：电压输出型电压输出型DAC：8-20位，位，0

11、.8-40 s电流输出型电流输出型DAC：8-20位，位，0.005-2.0 s视频型视频型DAC：4-12位，转换速率位，转换速率35MHza.对数型对数型DAC:一、电压输出型一、电压输出型DAC输入总线接口有并行和串行，参考电源有内接和外接，分辨率有输入总线接口有并行和串行，参考电源有内接和外接，分辨率有4，8，10，12，14，16，18，20位。位。AD公司：公司：DAC1138二、电流输出型二、电流输出型DAC特点：调整时间短，高速器件。特点：调整时间短，高速器件。AD公司：公司：AD9768 100MHZ，20mA作业作业1、D/A转换器的主要性能指标和含义是什么转换器的主要性能

12、指标和含义是什么?2、查资料，叙述电流型、查资料，叙述电流型D/A转换器的原理，并作计算。转换器的原理，并作计算。2.1 ADC的原理的原理第二章第二章 A/D的工作原理与组成的工作原理与组成IvD两种量化方式：两种量化方式：1、只舍不入、只舍不入其中其中 表示取函数的整数部分，表示取函数的整数部分，V VREFREF是输入是输入满量程电压，满量程电压，= V= VREFREF/2/2n n为能在输出端引起为能在输出端引起变化的最小输入变化量，称为量化单位，它变化的最小输入变化量，称为量化单位，它对应数字量的最低位有效值对应数字量的最低位有效值LSBLSB。如果数字输出是一个如果数字输出是一个

13、n位的二进制数，则位的二进制数，则2、有舍有入、有舍有入输出数字码的跳变发生在输出数字码的跳变发生在/2的奇数的奇数倍的地方，量化误差有正有负，最大倍的地方，量化误差有正有负，最大值为值为/2。假设量化误差假设量化误差:(1)在在-/2和和/2之间随机变化，且之间随机变化，且均匀分布均匀分布;(2)独立于模拟输入信号。这种假设独立于模拟输入信号。这种假设在一般情况下并不是严格成立，通在一般情况下并不是严格成立，通常在分辨率为常在分辨率为4位以上时具有合理的位以上时具有合理的近似。近似。这样，量化噪声功率可以表示为这样，量化噪声功率可以表示为q的均方值的均方值: q具有随机性，为白噪声性质。具有

14、随机性，为白噪声性质。0r) f (P02fssff用分贝表示时用分贝表示时2.2 ADC的基本指标的基本指标2、绝对精度：、绝对精度：ADC的误差是指在给定输出码时产生此数码的真实模拟输入和理论模拟输的误差是指在给定输出码时产生此数码的真实模拟输入和理论模拟输入间之差。入间之差。3、 相对精度相对精度 满度校正之后输入模拟值对其理论值的偏差。满度校正之后输入模拟值对其理论值的偏差。4、窗口时间、窗口时间保持命令加到保持命令加到ADC前面的采样保持放大器到开关真正打开之间的时间间前面的采样保持放大器到开关真正打开之间的时间间隔，由两部分组成：延迟和不确定性。隔，由两部分组成：延迟和不确定性。1

15、、分辨率、分辨率 为能使输出发生一位数字变化的最小输入量，通常以输出二进制码的位数为能使输出发生一位数字变化的最小输入量，通常以输出二进制码的位数n表表示。从理论上讲，对于一个示。从理论上讲，对于一个n位位A/D转换器，所能分辨的最小输入电压为转换器，所能分辨的最小输入电压为VREF/2n相相当于一个量化单位表示的输入电压。当于一个量化单位表示的输入电压。7、满度误差、满度误差8、谐波畸变、谐波畸变9、交调畸变、交调畸变10、线性误差、线性误差11、微分线性、微分线性12、信噪比、信噪比13、转换速率、转换速率14、量化误差、量化误差15、温度系数、温度系数增益温度系数线性温度系数增益温度系数

16、线性温度系数 失调温度系数失调温度系数5、转换时间和转换速率、转换时间和转换速率一般指一次模拟量完全转换为数码所需的时间。一般指一次模拟量完全转换为数码所需的时间。6、馈通误差、馈通误差信号通过开关或其它器件耦合而未被隔离，这样形成的误差。信号通过开关或其它器件耦合而未被隔离，这样形成的误差。 按采样率按采样率fs与信号频率的关系，可以将与信号频率的关系，可以将A/D转换器划分为转换器划分为:1、Nyquist频率频率A/D转换器转换器 遵从采样定理，要求采样频率大于或等于输入信号最高频率的二倍。因为抗混叠滤波器不遵从采样定理，要求采样频率大于或等于输入信号最高频率的二倍。因为抗混叠滤波器不可

17、能具有理想低通特性，必然有过渡频带，所以采样频率需要比模拟信号带宽的两倍稍高一可能具有理想低通特性，必然有过渡频带，所以采样频率需要比模拟信号带宽的两倍稍高一些。些。2、带通采样、带通采样A/D转换器转换器 在带通采样在带通采样A/D转换器中，由于带通信号在频率轴上仅占据很小的部分，有可能用比信号转换器中，由于带通信号在频率轴上仅占据很小的部分，有可能用比信号最高频率低的采样频率采样而保证采样后的频谱不产生重叠。最高频率低的采样频率采样而保证采样后的频谱不产生重叠。3、过采样、过采样A/D转换器转换器 在过采样在过采样A/D转换器中，则需要信号的采样频率比转换器中，则需要信号的采样频率比Nyq

18、uist频率高得多。后部的数字滤波电频率高得多。后部的数字滤波电路用来去掉信号带宽以外的噪声。采用过采样技术可以降低量化噪声电平，从而实现高精度路用来去掉信号带宽以外的噪声。采用过采样技术可以降低量化噪声电平，从而实现高精度的的A/D转换器。转换器。 按性能则可将按性能则可将A/D转换器划分为高速转换器划分为高速A/D转换器和高精度转换器和高精度A/D转换器。转换器。 按结构可将按结构可将A/D转换器划分为串行结构、并行结构和串并行结构转换器划分为串行结构、并行结构和串并行结构A/D转换器。转换器。2.3 A/D转换器的分类转换器的分类2.4 ADC的组成的组成滤除滤除fs/2成分成分2.4.

19、1 量化器量化器量化、编码量化、编码（1）比较器）比较器比较器比较器IVREFVOVocVMVMV LVLV REFIIcVVV 比较器特性比较器特性LICLICVVVV 放大（线性）特性放大（线性）特性非线性特性非线性特性要求：精度、灵敏度、速度、实现简单。要求：精度、灵敏度、速度、实现简单。差值差值锁存锁存放大放大IVREFVREFIVV oV（2）差值电路）差值电路S1闭合，闭合，S2断开断开REFp1oVcccV S1断开，断开，S2闭合闭合Ip2oVcccV 输出电压增量输出电压增量)VV(cccVVVREFIp1o2o （3）对放大器电路要求）对放大器电路要求特点：高增益：一般均在

20、特点：高增益：一般均在80dB以上。以上。 开环工作：输入与输出间不加反馈。开环工作：输入与输出间不加反馈。 低失调电压：低失调电压：放大器中的特殊电路结构：放大器中的特殊电路结构：自偏置结构：保证工作点位于线性区。自偏置结构：保证工作点位于线性区。缺点：输入信号通过缺点：输入信号通过R R直通到输出直通到输出端，造成干扰。端，造成干扰。改进型改进型DDVoVLR VIV2T3T1T准准备备放放大大 v2. 失调抵消结构失调抵消结构H T1，T3 导通导通IOREFcVVv H T2 导通导通REFIIOCIAVVVVVv 3. 时钟串扰抵消结构时钟串扰抵消结构引入时钟的反向变化抵引入时钟的反

21、向变化抵消干扰消干扰T3-T5: 放大器处于放大阶段放大器处于放大阶段T4-T5: 形成差值输出信号形成差值输出信号2.4 高精度高精度ADC2.4.1 逐次逼近型逐次逼近型ADC 逐次逼近逐次逼近(successive approximation)型型A/D转换器采用了转换器采用了“二进制搜索二进制搜索”算法，算法，将输入模拟电压与逐次逼近的基准电压进行比较，逐位产生数字代码，使数字输出将输入模拟电压与逐次逼近的基准电压进行比较，逐位产生数字代码，使数字输出所表示的模拟量逐次逼近输入信号。所表示的模拟量逐次逼近输入信号。逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器具有以下几个优点转换器具有以下几个优点:

22、1、比较器的失调电压不影响整个转换器的线性度。、比较器的失调电压不影响整个转换器的线性度。2、不需要显式减法器，这是在高精度应用中的一个非常重要的优点。、不需要显式减法器，这是在高精度应用中的一个非常重要的优点。3、电路的复杂性和功耗一般低于其他结构。、电路的复杂性和功耗一般低于其他结构。工作过程工作过程（1）取样过程：）取样过程：S1闭合，闭合， S7 接接VI，S2S6接接1端端IAvCq 2（2）保持过程：）保持过程：S1断开，断开， S7 接接VREF，S2S6接接2端端 VA=-VI（3）重新分配过程：对各开关进行测试，决定）重新分配过程：对各开关进行测试，决定Si接接VREF或地。

23、或地。电荷分配型电荷分配型ADC控制规则：控制规则：若若SiVREF，输出高，开关保持，输出高，开关保持若若SiVREF，输出低，开关接地，输出低，开关接地C2C4C8C16C16C输出高电平0Av输出低电平0AvVVVVIREF2 . 12 a. 测试测试S2(接地或接接地或接VREF)S2接地接地2SS2接接VREF2SCvCqIA4 . 22 VA=-VI=-1.2VS2接接VREF前，前，C2C6上存储电荷上存储电荷CqqA2 . 121 S2接接VREF后，后，C2C6上存储电荷上存储电荷CVCqREF 21VCqqvA2 . 0)( 最后最后A点电压点电压根据控制规则，所以根据控制

24、规则，所以Si保持在保持在VREF端。端。各开关各开关S1S6a依次动作，依次动作，A点电位点电位VA满足以下公式：满足以下公式：RiiiAiAiAiAAAAVbCVCVCVCVCVVCV 2)()()()()()0()(111其中，其中，VA(0)为保持阶段，即为保持阶段，即S2S6接地时的接地时的A点电位。点电位。VCVbVCVCVCVVCVbVCVCVCVVCVbVCVCVCVVCVbVCVCVCVVCVbVCVVCVAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA0125. 0)(10125. 021321075. 0)()()(075. 0)(1075. 0211612 . 0)()()(2

25、 . 0)(005. 021812 . 0)()()(2 . 0)(03 . 021412 . 0)()()(2 . 0)(12 . 012 . 1)()0()(455454443433323222121111 最后结果为最后结果为10011，-0.0125V为为A/D转化器的误差。转化器的误差。b. 测试测试S32S3Sc. 测试测试S42S3S4SS3接接VREF后，后，vA=0.3V 故故S3重新接地。重新接地。S4接接VREF后，后，vA=0.05V 故故S4重新接地。重新接地。d. 测试测试S5：S5接接VREF后，后，vA=-0.075V 故故S5保持接保持接VREF。5S2S3S

26、4SaS6bS65S2S3S4SaS6REFVe. 测试测试S6a：S6a接接VREF后，后，vA=-0.0125V 故故S6a保持接保持接VREF。最后结果波形最后结果波形德州仪器公司：德州仪器公司：TLC 548 开关电容逐次逼近开关电容逐次逼近A/DTn22. 4. 2 双斜率积分型双斜率积分型A/D转换器转换器 电路的模拟部分包括一个高输入阻抗的缓冲级电路的模拟部分包括一个高输入阻抗的缓冲级A1，精密积分器和一个电压比较器。，精密积分器和一个电压比较器。工作过程如下工作过程如下: : 1 1、首先将计数器清零，开关、首先将计数器清零，开关S S1 1接地，接地，S S2 2闭合。闭合。

27、这样，如果各运算放大器及比较器环路中存在失调这样，如果各运算放大器及比较器环路中存在失调电压，则会通过电容电压，则会通过电容C CZ Z放电，使得放电，使得C CZ Z上产生电压。上产生电压。当开关当开关S S2 2打开时，打开时，C CZ Z上由于失调而产生的电压被存上由于失调而产生的电压被存储并保持下来，这个电压刚好可以使环路的失调为储并保持下来，这个电压刚好可以使环路的失调为零。因此，零。因此，C CZ Z实现了对所有三个放大器输入失调电实现了对所有三个放大器输入失调电压的自动补偿。压的自动补偿。 2 2、0-t0-t1 1：固定时间（：固定时间（2 2n nT T）积分，计数器从零开）

28、积分，计数器从零开始计数计满溢出时，开关始计数计满溢出时，开关S S1 1切换到参考电压一切换到参考电压一V VREFREF，积分方向改变。积分方向改变。 3 3、反向积分到、反向积分到0 0，计数器的当前值即为，计数器的当前值即为A/DA/D转换器的最终数字输出。转换器的最终数字输出。ov 双斜率积分型双斜率积分型A/D转换器的优点转换器的优点: (1)由于由于V REF和和n为常数，输出为常数，输出N与输入与输入vI成正比，而与成正比，而与R和和C无关。无关。 (2)对交流噪声的抑制能力强。对交流噪声的抑制能力强。 缺点：转换速度慢。缺点：转换速度慢。 因此适宜于高精度而低速度的应用。因此

29、适宜于高精度而低速度的应用。2.4.3 过取样模数转换过取样模数转换 ADC 近年来过采样近年来过采样A/D转换器以其结构简单、对器件性能要求低、工艺兼容性好、易于与转换器以其结构简单、对器件性能要求低、工艺兼容性好、易于与数字电路集成等特点在大规模集成电路中得到广泛应用，这种数字电路集成等特点在大规模集成电路中得到广泛应用，这种A/D转换器在音频及视频等转换器在音频及视频等领域开始逐渐取代传统结构的高精度领域开始逐渐取代传统结构的高精度A/D转换器。转换器。 它采用过采样技术与艺调制器的噪声整形技术对量化噪声进行双重抑制，使基带内它采用过采样技术与艺调制器的噪声整形技术对量化噪声进行双重抑制

30、，使基带内信噪比明显提高，从而获得较高精度。同时，采用过采样艺调制技术，大大缓解了对前信噪比明显提高，从而获得较高精度。同时，采用过采样艺调制技术，大大缓解了对前置抗混叠滤波器的性能要求，使置抗混叠滤波器的性能要求，使A/D转换器中数字电路的比例增加，模拟电路的比例减少，转换器中数字电路的比例增加，模拟电路的比例减少，对模拟电路精度的要求降低，从而降低成本，更适宜于与数字电路的大规模集成。对模拟电路精度的要求降低，从而降低成本，更适宜于与数字电路的大规模集成。 逐次逼近、双斜率积分等传统结构的高精度逐次逼近、双斜率积分等传统结构的高精度A/D转换器是以器件的高精度和电路的转换器是以器件的高精度

31、和电路的复杂性为代价的。而且，为了防止混叠噪声的影响，需要高性能的前端抗混叠滤波器，复杂性为代价的。而且，为了防止混叠噪声的影响，需要高性能的前端抗混叠滤波器，增加了对设计和工艺的要求。另外，增加了对设计和工艺的要求。另外，V LSI技术的发展使芯片电源电压进一步下降，模拟技术的发展使芯片电源电压进一步下降，模拟电路的信噪比恶化，因此传统的电路的信噪比恶化，因此传统的A/D转换器难以与数字电路进行单片集成。转换器难以与数字电路进行单片集成。 1.过采样技术过采样技术 过采样是指以远远高于过采样是指以远远高于Nyquist采样频率的频率对模拟信号进行采样。由信号采样量化采样频率的频率对模拟信号进

32、行采样。由信号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯，并且输入信号的幅度随机分理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，与采样频率布，则量化噪声的总功率是一个常数，与采样频率fs无关，量化噪声的功率谱均匀分布在无关，量化噪声的功率谱均匀分布在0fs/2的频带范围内。因此，随着采样频率的提高，噪声功率谱密度下降。由于有用信号带的频带范围内。因此，随着采样频率的提高，噪声功率谱密度下降。由于有用信号带宽是固定的，所以提高采样频率可以降低有用信号带宽内的噪声能量，使信噪比提高。宽是固定的，所以提高采样频率可以降低

33、有用信号带宽内的噪声能量，使信噪比提高。2. 调制技术调制技术 过采样过采样 A/D转换器的框图如图。转换器的框图如图。脉宽调制脉宽调制(PCM)(PCM)数字数字码流码流滤除带外噪滤除带外噪声，降低采声，降低采样频率。样频率。假定量化噪声为累加噪声，则一阶假定量化噪声为累加噪声，则一阶调制器的调制器的线性化传输函数可以表示为线性化传输函数可以表示为DFS1VREF3.工作原理工作原理 通过输入信号与通过输入信号与DAC输出连续比较使积分器输出达到输出连续比较使积分器输出达到0。积分器输出两次为。积分器输出两次为0间的采样数为一个工作周期，在周期内间的采样数为一个工作周期，在周期内DAC输出的

34、平均值为输入信号的采样值。输出的平均值为输入信号的采样值。采样采样相减相减积分积分比较比较DAC输出输出 0.80.81+1 -0.20.61+1 -0.20.41+1 -0.20.21+1 -0.200-1 1.81.81+1 -0.21.61+1 -0.21.41+1 -0.21.21+1 -0.21.01+1 -0.20.81+1 -0.20.61+1 -0.20.41+1 -0.20.21+1 -0.200-1- ADC 工作过程工作过程10bit数字输出数字输出 vI=0.8V， VREF=1V4、- ADC特点特点 对混叠滤波器的要求降低对混叠滤波器的要求降低滤波器滤波器A/D)(

35、 jH 202sDF（1） FS=2FB 难于实现难于实现（2） FS2FB 较易实现较易实现（3） FS2FB 非常易实现非常易实现 改善改善ADC的信噪比的信噪比两个途径：提高取样频率、噪声整形两个途径：提高取样频率、噪声整形（1） 提高取样频率提高取样频率)( fRf02sDF0r0r（0FS/2）均匀分布）均匀分布功率谱密度功率谱密度ssQoFFNr62/2 例：正弦信号输入例：正弦信号输入 )12(N8)12(2 NS信号功率信号功率2)12(3lg1018)12(lg10/lg10/222 NBoNQBsFrNSNSFF若若DNSDNSNSDFFNQsslg10/2)12(3lg1

36、0/lg10)/(2 若若（2）噪声整形）噪声整形)( fRf02sDF0rBF5. 噪声整形原理噪声整形原理（1）滤出带外信号）滤出带外信号 和噪声；和噪声；（2）降低取样速率。）降低取样速率。噪声整形分析的线性反馈环路模型噪声整形分析的线性反馈环路模型积分器积分器量化噪声量化噪声)()(11)()(1)()(zQzHzXzHzHzY 离散时间积分器离散时间积分器11)( zzH)()1()()(11zQzzXzzY 讨论讨论 的作用的作用)()1(1zQz scDFT1 cTjez 212sin211ccTjcTjeTjez 0cT 211 z经环路后输出的功率谱密度函数经环路后输出的功率

37、谱密度函数22)(sin4)2sin2()(osocorDFfrTfr 0sDF or)(fro4or环路输出的量化噪声分布形式环路输出的量化噪声分布形式计算计算 S/N=?3220220)(92)6()(4)(sBFssFoQDFFdfDFDFfdffrNBB 奈氏速率下奈氏速率下的信噪比的信噪比取样率提高取样率提高而增加信噪比而增加信噪比由于整形得到由于整形得到信噪比改善信噪比改善)(3lg10lg10)12(23lg10)12(29lg10/222322dBDDDNSNN 2.5.4 抽取滤波器的特点、作用和实现抽取滤波器的特点、作用和实现作用作用 （1）滤除有用信号带宽以外的噪声）滤除

38、有用信号带宽以外的噪声（2）降低取样频率至临界取样频率）降低取样频率至临界取样频率 2. 抽取滤波器的特点抽取滤波器的特点抽取抽取每隔每隔M个取样值抽个取样值抽出一个组成新的序列，从而出一个组成新的序列，从而降低速率。降低速率。 102)(1)(MkMkjjeXMeY 经过抽取滤波器后量化噪声的功率谱分布经过抽取滤波器后量化噪声的功率谱分布条件：设有用信号带宽为条件：设有用信号带宽为FB，抽取滤波器频率特性具有理想的矩形特性，抽取滤波器频率特性具有理想的矩形特性且通带为且通带为FB。3. 实现方法实现方法目前常用的抽取滤波器采用梳状滤波器目前常用的抽取滤波器采用梳状滤波器2.5.5 - ADC

39、 的实现的实现采用单环结构，当使用采用单环结构，当使用1bit量化器，取样频率为量化器，取样频率为DFs时，信噪比改善为：时，信噪比改善为：)()3lg1076. 102. 6(2)12(9lg10/23232dBDNDNSN 线性量化临界取样下的线性量化临界取样下的S/N过取样和整形得到过取样和整形得到的信噪比改善的信噪比改善)(17. 503. 976. 102. 6/dBLNNS 若取若取LD2 1 N61. 203. 9/ LNSdBNSDLdBNSDL91.92/10241085.74/2568 可见，采用可见，采用1bit量化器要得到高信噪比改善需要很高的取样频率。量化器要得到高信

40、噪比改善需要很高的取样频率。解决方法：解决方法： 进一步改善噪声整形效果；进一步改善噪声整形效果； 采用多比特量化器。采用多比特量化器。41. 3)5 . 1(02. 617. 503. 976. 102. 6/ LNLNNS可见，选取合适的可见，选取合适的D(L)值，可以在不增加取样频率很高下，改善信噪比。值，可以在不增加取样频率很高下，改善信噪比。第一种方法：改善噪声整形效果第一种方法：改善噪声整形效果)()1()()(11zQzzXzzY 一阶环一阶环采用多级级联后，可以对噪声实现多次微分，可以采用多级级联后，可以对噪声实现多次微分，可以 获得更好的噪声效果。获得更好的噪声效果。2sin

41、2cT )(zQ)( H)( fro2)( H)(fro一阶一阶)()3lg1076. 102. 6(2)12(9lg10/23232dBDNDNSN 二阶二阶)()5lg1076. 102. 6(2)12(15lg10/45452dBDNDNSN 三阶三阶)()7lg1076. 102. 6(2)12(21lg10/67672dBDNDNSN 一阶环路噪声模型一阶环路噪声模型 11)()()()()()()()()(zzYzXzRzzUzRzUzUzQzY )()1()(1zQzzXzY 二阶环路噪声模型二阶环路噪声模型 )()1()(21zQzzXzY 第二种方法：量化器采用多比特第二种方

42、法：量化器采用多比特采用多比特量化器，每增加采用多比特量化器，每增加1bit，信噪比增加，信噪比增加6.02dB。缺点：内部缺点：内部D/A电路复杂，要求精度高。电路复杂，要求精度高。2.5.6 - ADC 电路举例电路举例Q量化噪声输出量化噪声输出CA/D输出输出Dither 信号的作用：主要解决小信号输入时产生的误差。信号的作用：主要解决小信号输入时产生的误差。 将产生高频将产生高频输出的输出的“消消音音”现象。现象。给低电平信号附加上一宽带噪声，且其峰峰值略小于给低电平信号附加上一宽带噪声，且其峰峰值略小于2个。个。相当于正弦波相当于正弦波对宽带噪声的对宽带噪声的矩形调制，通矩形调制，通过短期平均算过短期平均算法可以恢复相法可以恢复相当于无失真的当于无失真的正弦波家噪声。正弦波家噪声。美国美国LINEAR公司：公司：LTC2408 内含24位分辨率的ADC与8个模拟输入通道的多路器； 具有单个时钟周期的建立时间，可简化多路转换器操作； 非线性误差为4PPM，无误码； 满量程误差为4PPM； 失调为0.5PPM； 0.3PPM