半导体集成电路第12章下

1、2022-3-18半导体集成电路南京理工大学电光学院2022-3-18A/D 转换器的基本原理转换器的基本原理A / D输入输入多路多路选择器选择器采样采样保持保持A/D变换变换输出选通输出选通状态控制逻辑状态控制逻辑数数字字输输出出模拟输入模拟输入b1b2bnA/D变换器框图变换器框图2022-3-18v积分型积分型ADCv逐次逼近式逐次逼近式ADCv-ADCv闪烁闪烁ADC(全并行全并行ADC)v流水线流水线ADCv折叠折叠ADC2022-3-181.1.分辨率分辨率: :数字量变化一个最低有效位数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压所需的输入模拟电压的变化量。取决于满量程和

2、的变化量。取决于满量程和位数位数。一般：一般：如满量程如满量程5V，8位则分辨率为位则分辨率为 5/256=19.5mV(更多更多的时候直接用位数来表示分辨率）的时候直接用位数来表示分辨率）2.2.转换时间（速率）转换时间（速率）: :完成一次从模拟量到数字量所需要的时间。积分型属完成一次从模拟量到数字量所需要的时间。积分型属ms级，慢速；逐次比较型，微秒级，中速；全并行，级，慢速；逐次比较型，微秒级，中速；全并行，纳秒级，快速。纳秒级，快速。3.量化误差量化误差:ADCADC的有限分辨率阶梯状传输特性曲线的有限分辨率阶梯状传输特性曲线与无限精度传输特性曲线之间的最大偏差。通常为与无限精度传输

3、特性曲线之间的最大偏差。通常为1LSB1LSB或或1/2LSB1/2LSB。2022-3-1828REFV58REFVREFV68REFV38REFV48REFV78REFV8REFV1LSB无限精度特性无限精度特性0000011110101001011100110 舍入式：舍入式：1/2LSB 舍尾式：舍尾式：1LSB28REFV58REFV68REFV38REFV48REFV78REFV8REFV1LSB无限精度特性无限精度特性02022-3-18A/D 转换器的常用类型转换器的常用类型1. 1. 积分型积分型A/DA/D变换器变换器（介绍目前较常用的双斜率积分型（介绍目前较常用的双斜率积

4、分型A/D变换器）变换器）初始状态初始状态: S2闭合闭合, S1接至接至-VA起止信号起止信号VREF控制控制逻辑逻辑二进二进制计制计数器数器-VAS1S2VX比较器比较器门控时钟信号门控时钟信号R1数数字字输输出出C12022-3-18控制控制逻辑逻辑二进二进制计制计数器数器-VAVX比较器比较器门控时钟信号门控时钟信号R1数数字字输输出出初始状态初始状态: VX=02022-3-18VREF控制控制逻辑逻辑二进二进制计制计数器数器-VAS1S2VX比较器比较器门控时钟信号门控时钟信号R1数数字字输输出出变换过程变换过程: 第一阶段第一阶段 S2打开，打开， S1继续接至继续接至-VA 2

5、022-3-18控制控制逻辑逻辑二进二进制计制计数器数器-VAVX比较器比较器门控时钟信号门控时钟信号R1数数字字输输出出变换过程变换过程: 第一阶段第一阶段 输入信号进行输入信号进行2N个时钟周期的积分个时钟周期的积分VX从从0开始上升。开始上升。11xAdVVdtRC C12022-3-18tVX11xAdVVdtRC 2022-3-18VREF控制控制逻辑逻辑二进二进制计制计数器数器-VAS1S2VX比较器比较器门控时钟信号门控时钟信号R1数数字字输输出出变换过程变换过程: 第二阶段第二阶段 S1接至接至VREF， S2保持打开保持打开2022-3-1811xREFdVVdtRC VRE

6、F控制控制逻辑逻辑二进二进制计制计数器数器VX比较器比较器门控时钟信号门控时钟信号R1数数字字输输出出第二阶段：第二阶段： 计数器清零后开始计数，计数器清零后开始计数， VX下降：下降： 当当VX下降至下降至0时，计数器停止计数时，计数器停止计数2022-3-18tVX计数11xAdVVdtRC 11xREFdVVdtRC 2022-3-18双斜率积分器输出波形双斜率积分器输出波形可变上升可变上升斜率斜率VA1VA2固定下降斜率固定下降斜率tVXn1n2双斜率积分型双斜率积分型 ADC 的特点的特点: 1. 结构简单，精度较高结构简单，精度较高(可高达可高达22位分辨率位分辨率 )，但是速度很

7、慢。，但是速度很慢。2.与普通积分型与普通积分型ADC相比相比,由于积分利用两个时间的比值，所以由于积分利用两个时间的比值，所以能消除大部分线性误差的影响。能消除大部分线性误差的影响。11xAdVVdtRC 11xREFdVVdtRC 应用于低速、精确测量等领域应用于低速、精确测量等领域，如数字电压表、数字万用表，如数字电压表、数字万用表、智能化仪表及热电偶输出的、智能化仪表及热电偶输出的量化。量化。 计数器的计数值反映输入电压的大小计数器的计数值反映输入电压的大小2022-3-182. 2. 逐次逼近式（逐次逼近式（SAR ）A/DA/D变换器变换器控制逻辑控制逻辑N位位D/A变换器变换器N

8、位保持寄存器位保持寄存器N位移位寄存器位移位寄存器比较器比较器模拟输入模拟输入VA起止信号起止信号时钟时钟b1b2b3bNMSB逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器数数字字输输出出一种以相应数字代码按试探误差技术对输入信号进行逼近的方式工作的反馈系统一种以相应数字代码按试探误差技术对输入信号进行逼近的方式工作的反馈系统. 初始状态：逐次逼近寄存器清零初始状态：逐次逼近寄存器清零 MSB-1,若若D/A输出小于输出小于VA则则MSB不变不变,否则否则,用用0取代取代1. 照此方式照此方式,从高位到低位逐次试探从高位到低位逐次试探,直到直到N个周期完成全部位的试探个周期完成全部位的试探.2022-3-18

9、逐次逼近式逐次逼近式A/D变换器判断图变换器判断图000VA100110010101111011001100001010011101110111小于1/2VFS大于1/2VFS小于3/4VFS大于3/4VFS大于7/8VFS时钟周期时钟周期时钟周期逐次逼近逐次逼近ADC特点特点:结构简单，面积小结构简单，面积小，功耗低，精度高，功耗低，精度高(最高达到最高达到18bit,如如AD7641 )。但是由于算法原因但是由于算法原因，需要，需要 N 个时钟周个时钟周期才能完成转换，期才能完成转换，速度较慢。速度较慢。被广泛地应用于便携被广泛地应用于便携/电池电池供电仪表，工业控制和数据供电仪表，工业控

10、制和数据/信号采集器等信号采集器等 2022-3-183. 3. -A/DA/D变换器变换器根据前一采样值与后一采样值之差（即所谓的增量）进行量化编码的根据前一采样值与后一采样值之差（即所谓的增量）进行量化编码的ADCADC -调制器以远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采调制器以远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，输出一位的数字位流样和量化，输出一位的数字位流 ;数字滤波器滤除大部分经数字滤波器滤除大部分经-调制器整形后的量化噪声，并对一位的数据位流进行减取样调制器整形后的量化噪声，并对一位的数据位流进行减取样，得到最终的量化结果。，得到最终的量化结果。 闭环反馈环路使输

11、出数字闭环反馈环路使输出数字序列对应的模拟平均值等序列对应的模拟平均值等于输入信号的采样平均值于输入信号的采样平均值 2022-3-18- ADC特点及应用场合特点：特点：v1.具有较高的转换精度和性价比，且使用方便。如具有较高的转换精度和性价比，且使用方便。如ADI的的AD7760（20位分辨率）、位分辨率）、 TI 的的ADS1232（24位）。位）。v2. 串行接口输出、外围器件串行接口输出、外围器件少少,低功耗低功耗v3. 转换速率低（一般不超过转换速率低（一般不超过5000sps）应用场合：应用场合：v用于高精度的低频或直流信号测量的应用中。特别是数字音用于高精度的低频或直流信号测量

12、的应用中。特别是数字音响系统，多媒体地震勘探仪器，声纳、电子测量，频率合成响系统，多媒体地震勘探仪器，声纳、电子测量，频率合成等领域。等领域。2022-3-184. 4. 全并行（全并行（Flash)Flash)A/DA/D变换器变换器VREFRRRVin寄存器寄存器编码及输出编码及输出CO7CO6CO1D2D1D0电压比较器电压比较器Q7Q1Q6模拟输入电压模拟输入电压Vin直接与各参考电压比较，当比较电压低于直接与各参考电压比较，当比较电压低于Vin时，所有的输出都是高电平；而当比较电压高于时，所有的输出都是高电平；而当比较电压高于Vin时，所有时，所有的输出都是低电平的输出都是低电平 。

13、2022-3-18Flash ADC的特点及应用场合特点：特点：v是已知结构中速度最快的转换器是已知结构中速度最快的转换器 v面积大，功耗大，精度有限（比较器失配等原因）面积大，功耗大，精度有限（比较器失配等原因）应用场合应用场合v适合于一些高速、低分辨率（通常不会超过位）适合于一些高速、低分辨率（通常不会超过位）的场合。的场合。ADI I的典型产品有的典型产品有AD9006（6位，位，470Msps），），AD9028（8位，位，300Msps），），AD9060（10位，位，75Msps），），AD9007（12位，位，10Msps）等，等，主要用于数字存储示波器、图像处理、雷达和一些主要

14、用于数字存储示波器、图像处理、雷达和一些军事用途。军事用途。 2022-3-18任何时刻相邻级工作相位相反，当第一级处理输入实时采样信号的同时，任何时刻相邻级工作相位相反，当第一级处理输入实时采样信号的同时，第二级处理第一级上次输入采样信号的被放大的冗余信号。因此输出滞后第二级处理第一级上次输入采样信号的被放大的冗余信号。因此输出滞后输入输入K拍。拍。每一级转换每一级转换n位，最后由输出寄存器将各级数字输出组合得到转换结果，位，最后由输出寄存器将各级数字输出组合得到转换结果，则整体转换精度为则整体转换精度为N=n1+.+ni+.+nk。5. 5. 流水线（流水线（Pipeline）A/DA/D

15、变换器变换器采样保持信号采样保持信号（或者上一级冗余输出）（或者上一级冗余输出）去下一级去下一级采样采样-保持保持2022-3-18流水线AD变换器特点及应用特点：特点：v由于每级都有采样保持电路，各级可以同时由于每级都有采样保持电路，各级可以同时工作，大大提高了转换速度。工作，大大提高了转换速度。v此外，流水线结构此外，流水线结构ADC面积小，功耗较小，面积小，功耗较小，低功耗流水线低功耗流水线 ADC 的功耗已达到的功耗已达到 20mw以以下。下。应用场合应用场合v常用于无线通信、常用于无线通信、CCD图像数据处理、超声图像数据处理、超声监测等高速应用领域监测等高速应用领域 2022-3-186.6.折叠（折叠（FoldingFolding）A/DA/D变换器变换器原理示意图原理示意图将输入信号折叠到较小的范围内，得到低位（细分将输入信号折叠到较小的范围内，得到低位（细分ADC)；高高位则由区间位则由区间(粗分粗分ADC)确定。确定。2022