AD转换电路的外特性研究

1、北京交通大学数字电子技术研究论文A/D转换电路的外特性研究 分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路的设计思路学 院：电信学院专 业：自动化学 号：10212064学 生：黄静指 导 教 师：侯建军2012年12月目录一 A/D转换的基本原理1二 A/D转换的过程2三 当前的几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究23.1积分型A/D转换器原理及外特性33.2逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性33.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性43.4 过采样-型AD转换电路的原理及外特性43.5流水线型AD转换电路的原理及外特性43.6几种AD转换电路的外特性比较6四 设计一个分辨率

2、为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路（不计成本）64.1通过对上述A/D转换电路外特性的研究确定设计思路64.2闪烁型A/D转换电路的设计思路74.3流水线型A/D转换电路7五 对其未来发展的展望105.1工艺不断改进，结构不断化简，功耗降低105.2转换速度不断提高，在高速下尽可能地提高分辨率10六 总结10A/D转换电路的外特性研究 分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路的设计思路黄静北京交通大学电子信息工程学院 自动化1003班摘要：本文从基本原理，转换过程，实现技术和发展趋势等几个方面来介绍A/D转换电路，着重研究几种电路的外特性，并且对设计一个分辨率为32位、转换

3、速度为10ns的A/D转换电路（不计成本）提出并行比较型和流水线型电路两种设计思路，并对其未来进行展望关键字：外特性 流水线型A/D转换电路 并行比较型A/D转换电路 转换速度 分辨率正文生活之中你是否常常有这样的疑惑，为什么优美的音乐能够从小小的mp3中播放出来，我们的话语能够由一根小小的电话线传播，小小的相机能够存储住我们美好的时光。我们常常说人类社会正在步人信息时代，而信息时代的一个重要标志就是数字化。得益于计算机技术的发展，数字信号处理起来要比模拟信号方便得多，人们更愿意将模拟信号转换成数字信号来处理。作为数字信号和模拟信号之间的桥梁，A/D转换器当仁不让成为数字化的核心一、A/D转换

4、的基本原理A/D转换的过程是将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。若模拟参考量为R，则输出数字量D和输入模拟量A之间的关系为 D A/R其原理类似于用天平测量质量，数字D永远不能精确地表示被测物体质量mx，而只能以一个最小砝码mmin的精度去逼近，mmin称为量化单位。无论mmin多小，总不能是无穷小，由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。图1 天平模型 图2 量化误差二、A/D转换的过程A/D转换可分为4个阶段：即采样、保持、量化和编码。采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号，考虑到模数转换器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样频率一

5、般取253倍的最高频率成分。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号，虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，实际上保持器总是与采样器做在一起，两者合称采样保持器。采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码，量化是将时间连续、数值离散的信号转换成时间离散、幅度离散的信号；编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此，也就完成了A/D转换，这些过程通常是合并进行的。三、当前的几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究速度和精度作为A/D转换电路的最重要的两个外部特性，研究不同电路的速度和精度，我们会发现这两者之间又有什么内部联系呢？3.1积分型A/D转换器原理及外特性积分型A/

6、D转换技术是目前最常见的技术，它有单积分和双积分两种转换方式，单积分型A/D转换电路转换精度不高，所以现在已经基本被淘汰。双积分型A/D转换电路通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。 图3 积分型A/D转换器与此同时，在此时间间隔内利用计数器对 时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换;双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型转换方式的外特性表现为精度较高，转换速度慢，能够大幅抑止高频噪声。双积分型转换方式是一种将模拟量转化为时间量，再从时间量转化为数字量的间接转换方式，并且由于积分电路的响应是输入信号的平均

7、值，所以它具有较强的抗干扰能力，另外在两次积分内，只要RC元件参数不发生瞬变，转换结果 就与RC无关，故分辨率相对较高，最高可以达到22位。由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声，是的电路的抗干扰能力强。但是，正是由于它是一个以时间量作为中间变量的电路，故当分辨率的要求增加时，其转换的时间必然会增加，故要提高其转换速度必然会牺牲精度。目前每秒100-300次(SPS)对应的转换精度为12位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域，如数字仪表领域。3.2逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性逐次比较型A/D转换器的工作原理可以用天平测量质量来比较，设被测物的质量在量程内，根据优选法，先

8、去最大的砝码（相当于满量程的一半），看天平如何倾斜，已决定该砝码的去留；然后依次取四分之一量程，八分之一量程等的砝码，最终可以以最小砝码逼近被测质量。类似的，它是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同 图4 逐次比较型A/D转换器的参考电压不断进行比较，1个时钟周期完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，转换完成，输出二进制数。逐次比较型A/D转换电路的外特性表现为转换速度中等，精度较高，输入带宽较低。由其转换电路的原理可知，其分辨率要求越高，则所需要的时钟周期就越多，故分辨率分辨率和转换速率是矛盾的，要提高分辨率就必然牺牲转换速率。由于该电路中有数模转换器，故当精度要求不断提高时就需要相应分辨

9、率的模数转换器，而这相对难于实现，所以其分辨率的高也是在一个相对的范围内。当分辨率低于12位时价格低，采样速率可达1MSPS。故其适用于中速率而分辨率要求相对较高的场合，并且与其它A/D相比，功耗相当低。3.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性并行比较器也称Flash（闪烁型） ADC，是一种最便于理解，最直接并且是当前速度最快的转换方案。它主要由电阻分压网络、比较器、编码器等组成。 图5 并行比较型A/D转换器这种A/D转换器速度是最快的，由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此它在所有电路中转换速度是最快的，但是由于本身的结构特点，如比较器数量较多，当

10、分辨率为N时，需要用到2的N次方减1个比较器，以及比较器数量的两倍的电阻网络，并且大量的比较器会是的电路之间出现匹配误差，导致分辨率不高，功耗大，成本高，所以只适用于速度要求特别高的领域.如视频A/D转换器等。就现阶段其转换速度一般在125Msps- 10Gsp(四位并行)之间; 由于受到功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率难以做得很高。3.4 过采样-型AD转换电路的原理及外特性过采样-模数转换是近十几年发展起来的一种A/D转换方式，-调制型A/D转换器又称为过采样A/D转换器，它的分辨率高，主要应用于高精度数据采集系统特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量等领域。过采

11、样 图6 过采样-型AD转换器原理-型ADC由-调制器和数字抽取滤波器两部分构成,其结构如图所示-调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即-码;数字抽取滤波器完成对-码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。-模数转换的主要特点是转换的精度很高，高于积分电路，内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，由于采用了过采样调制、噪音成形和数字滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高精度(16位以上);模拟电路仅占5%，大部分是数字电路，并且，模拟电路对元件的匹配性要求不高，易于用CMO

12、S技术实现。但由于其采样频率过高，所以相对于其他电路来说功耗较高，并且，其速度也不快，-转换方式的转换速率一般在1Msps以内。3.5流水线型AD转换电路的原理及外特性流水线型A/D转换器的原理是将高的分辨率分级处理，以八位举 例。将其分成两级，先对高四位进行 处理，输将高四位的结果暂存，并对其进行数模转 图7流水线型AD转换器换，再将输入的模拟信号与其相减，对其所得到的结果放大2的4次方倍，送入下一级进行处理，由于流水线结构是对信号进行分级串行处理，因此它具有不可消除的延时性，即每级的数字量输出是逐级延迟的。延时同步电路的作用就是把同一个输入模拟量经过n级子级电路量化后对应的数字输出进行同步

13、，然后输出完整的数字结果。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 图8 每级电路的内部结构大器。 流水线型A/D转换电路的外特性表现为转换速度很高，仅次于并行，精度也很高，成本相对较低，功耗较低。是对并行转换方式进行改进而设计出的一种转换方式。它在一定程度上既具有并行转换高速的特点，又具有逐次逼近型结构简单的特点，从而解决了制造困难的问题。它能够提供高速、高分辨率的A/D转换，还有令人满意的低功耗和较小的芯片尺，经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。以下是流水线型A/D转换电路的优缺点图9 流水型A/D转换器的优缺

14、点3.6几种AD转换电路的外特性比较电路类型转换速度分辨率应用并行比较型A/D转换速度最快一般在125Msps- 10Gsp受到功率和体积的限制分辨率难以做得很高适用于速度要求特别高的领域.如视频A/D转换器等流水线型A/D转换具有很高的转换速度1Msps-100 Msps分辨率较高可达16位用于成像系统可实现高分辨率、高品质的图像采集;优异的频域和时域特性也能够满足高速数据采集系统的要求。逐次比较型A/D转换转换速度中等采样速率可达1MSPS分辨率一般低于12位，高于14位的成本较高难于实现在低于12位分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低，较为常用过采样-模数转换转换速率一般在1M

15、sps以内分辨率极高，最高达到28位以上目前在音频领域得到广泛的应用积分型A/D转换速度最低当分辨率为12时100-300(SPS)分辨率相对较高，最高可以达到22位主要应用在低速高精度的转换领域，如数字仪表领域四、设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路（不计成本）4.1通过对上述A/D转换电路外特性的研究确定设计思路最高位高电平检测刚刚我们已经研究了几种A/D转换电路外特性，速度和精度作为A/D转换电路的核心性能指标，在大多数情况下两者是对互相矛盾的产物，很多时候我们需要进行取舍，如积分型，逐次比较型电路，过采样型电路，当分辨率要求较高的时候就必然要牺牲速度，然而今天我们

16、试着分析一下要求，不难发现很多时候就算再不记成本，此类电路，由于电路自身的特点，或存在积分环节，或分辨率与时间量成正比，当分辨率要求较高时根本无法达到高速，因此我们今天设计一个转换精度为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路必然是在选取一个相对高速的方式下，尽可能地提高其分辨率。并行A/D转换电路是速度最快的转换电路，其目前精度不高主要是由于成本，体积，功耗等现实层面问题，而流水线型A/D转换电路作为并行的一种优化，并且存在错误校正环节，在高速的前提之下，可以实现高精度，它由于分级思想，可以处理同时处理多个模拟量，提高了效率。通过上述研究，我们确立了基本的两条主线思路4.2闪烁型A/D转换

17、电路的设计思路闪烁型A/D转换电路的设计思路非常简单，就是运用2的32次方减一个比较器以及比较器数量的2倍的电阻，在忽略体积的前提下问题来了，如此多数量的比较器意味着需要对其进行编码，其复杂的编码过程， 以及其如此多输入带来的延时问题使得实际的时间远远大于10ns ，首先要克服的是时间上的问题，其实 图10 并行比较型A/D转换器设计思路如果我们换一种思路，放弃其原有的复杂编码过程而采用一种最高高电平检测的方法，因为我们发现我们的输出有效的其实就是所有高电平中最高的一位，按照这个思路来走，只要我们设计一个电路可以快速检测最高高电平，那么我们发现理论上可以解决复杂编码带来的时间延迟。除去编码问题

18、之外，其还存在一些其他方面现阶段不可行的问题。如此多结构重复的并行比较器之间任何失配都会造成静态误差，比较器的亚稳态还会产生闪烁码温度计气泡，即使这些问题都可以通过高成本来避免，但是，当比较器的数量增加时，对于比较器的分辨能力也有要求，如果比较器不能够分辨2的32次方精度的两个数，即使运用如此多的比较器在现实层面也是无法真正比较出来的，因此该思路可以作为提高其速度和精度的一个方向，在理论上如果忽略一切误差，假设比较器精度极高的话是可行的。但是就现阶段即使不计成本也难于实现。4.3流水线型A/D转换电路流水线的设计思路其实是一种分级的思想，将32位分成几级，然后逐级进行处理。我们试着将电路分成四

19、级，则每级需要得出八位数字量，我们不妨模拟一下此类电路的框图架构，如图12所示，当处理的模拟量数量不断增加时，虽然单次处理的时 图11 流水线型AD转换器原理间可能高于10ns，但是只要确保每一级电路的时间在10ns左右就可以是的平均用时在10ns左右。 图12 32为分辨率的四级设计思路方案一： 我对于现在市面上已有的芯片进行比较， ADI推出的8位、高速、低功耗、低噪声 ADC（模数转换器）AD9286比较合适，该高速 ADC 均采用流水线架构，310 mW 的功耗创业界最低水平。AD9286是一款8位单芯片采样模数转换器(ADC)，支持交错工作模式，专门针对低成本、低功耗和易用性进行了优

20、化。各ADC的转换速率高达250 MSPS，动态性能卓越。AD9286采用单个采样时钟，通过片内时钟分频器，使两个ADC内核实现时间交错 图13 AD9286的功能框图（每个内核的工作频率为时钟频率的一半），从而达到额定值500 MSPS。右边是原件的功能框图 由于运用流水线式结构，所以我们还需要相应的数模转换转换芯片，目前八位的DAC芯片ADV7125吞吐量可达330 MSPS，那么单次处理时间大约在3ns左右，因为该芯片是三通道的，故四级电路中仅需要运用到一片该芯片。 图14 ADV7125的功能框图在选取好芯片之后，我们可以开始下一步的设计了。 图15 电路原理图忽略数模变换以及放大时间

21、，则处理一个模拟量的时间为17ns，在经过锁存器以及数字误差校正环节，而实际上当处理多个模拟量时，同时转换为数字量的时间在5-10ns之间，那么加上后期电路，完全可以实现32位分辨率，10ns转换速度。方案二：在有了这样一个思路后，我又希望用市面上已有的16位模数转换芯片，做成一个两级的流水式模数转换电路，ADI推出业界速度最快的16位ADC（模数转换器）-250MSPS（兆每秒采样）AD9467。与其它16位数据转换器相比，这款16位、250MSPSADC可在能耗降低35%的情况下将采样率提高25%，其信号处理性能达到新的高度，该芯片处理16位的时间为4ns，而目前最快的16位数模转换芯片A

22、D9142是一款双通道、16位、高动态范围数模转换器(DAC)，提供1600 MSPS采样速率，这样的话单次处理时间仅为0.6ns，这样的话两级电路处理一个模拟量的时间为8.6ns，再加上锁存器以及数字误差校正环节，这样的话多次处理时间完全可以达到 图16 电路原理图10ns。对于两种方案进行比较，我们发现两级流水线电路处理的速度更快，并且只有两级，后期的处理工程也会相对简便一些，就性能而言，第二种设计方案更加优越。 因此对于流水线法而言，虽然单次的处理时间不能够达标，但是多次的处理平均时间可以实现，在不断提高各级电路的速度的情况下，还能对其优化，流水线法的巧妙在于运用分时复用的原理，在提高效

23、率的同时，又不会增加高额的成本，相对来说现实可行。五、对其未来发展的展望5.1工艺不断改进，结构不断化简，功耗降低一方面减少制作难度相对较大，在芯片中特性匹配要求较高的部件的数量，减少高速比较器、宽带运放、精密电阻等，减少模拟部件，尽可能多地采用成熟的数字电路。不断改进工艺，运用更新的材料，不断降低功耗。 5.2转换速度不断提高，在高速下尽可能地提高分辨率如今采用并行比较型转换方式的ADC的采样速度可达10GSPS。两级流水型ADC的产品转换速度达到了12位/4MSPS。因此现阶段的精度已经达到我们的大概要求，故未来会出现相对牺牲精度来换取速度的做法。在速度保证的基础之上人们当然还是希望尽可能

24、提高其转换精度。未来各种技术的运用以及集成电路工艺的发展，一定会把模数转换推向速度快、精度高、成本低、功耗低以及结构简单的发展方向。六、总结数字电子技术的独特魅力在于把原本复杂多变的模拟量转换成数字量来处理，而A/D转换作为模拟量和数字量之间的桥梁，在数字电子技术中有着不容忽视的作用。在课本上我们学习了基本的A/D转换电路，就像老师课堂上所讲的那样，A/D转换电路的最核心的性能指标就是速度和精度。使得我对于A/D转换电路外特性的研究有了一个主线思路，那就是通过分析不同电路的分辨率和转换速率来判断电路的性能指标，了解其外特性。 与单一的接受知识不同，通过对不同电路的分析，不难发现A/D转换电路的速度和精度主要取