【模数转换器的分类概述2200字】

[22]。由于只有门延迟和比较器对FlashADC的转换速度有所限制，所以FlashADC可以实现高速、超高速，然而同时会牺牲掉ADC功耗和面积。N位的全并行ADC中会有2N个等值的分压电阻，还有2N-1个比较器。参考电压被电阻链均匀地划分为2N-1个参考电压，输入信号通过比较器，将其电压值与参考电压值做比较，得到温度计码，再输入编码器，最终由编码器输出N位二进制码。图1.2N位全并行ADC结构图FlashADC的优势在于结构简单，电路结构复杂程度不高，且转换速率很高。但是也有很明显的缺点，即转换精度不高，分辨率高时，电路中比较器、电阻的数量增多，极大地增大了电路的功耗和面积，所以FlashADC适合高速低精度的应用场合，而不适用于高分辨率的应用。一般来说，FlashADC的设计精度不会超过8bit。1.2两步式ADC两步式ADC则有效的避免了FlashADC的比较器数量随这其精度指数形式增长的弊端。两步式ADC将量化分为粗量化和细量化两个阶段，其电路结构主要有采样保持电路、粗量化ADC、DAC、减法电路、细量化ADC以及编码电路组成其中粗量化和细量化所用的均为FlashADC结构。其工作原理为：输入的信号经过S/H电路后，一路送到减法电路，同时送到粗量化ADC。经过粗量化后，得到的高M位的数字输出，之后传输给编码电路。另一路，得到的高M位数字输出会经过DAC，而后送入减法电路与输入做差。差值经过残差放大器送入细量化ADC，得到低L位数字输出，之后也送入编码电路。编码电路将温度计码转化为二进制码得到最终结果。实现一个（M+L）位FlashADC需要2M+L个比较器，而实现同样位数的两步式ADC仅需要（2M+2L-2）个比较器，从而，相较于FlashADC降低了芯片的功耗和面，但同时牺牲了速度。图1.3两步式ADC结构图1.3逐次逼近型ADC逐次逼近型模数转换器简称为SARADC，它的核心电路由数字控制逻辑、采样保持电路、N位寄存器、比较器和N位DAC构成。SARADC的工作原理是：首先模拟信号由采样保持电路进行采样，之后数字逻辑控制电路会把ADC最高位（MSB）设置为1，剩余位为0，而后将码字给到DAC，得到一个0.5Vref的模拟输出，再与采样信号比较，当比较器输出为1，那么MSB置为1，否则置0，第一次逼近完成。之后，ADC进入第二个逼近周期，数字逻辑控制电路将次髙位设置为1，其余位为0，送入DAC，若MSB=1，则得到一个0.75Vref模拟信号，若MSB=0，则得到0.5Vref的模拟信号，再将此信号与采样得到的信号比较，从而确定了次高位的值。不断重复此过程，直到所有位的值都确定下来，得到N位的数字输出信号，即完成转换。由于二进制搜索算法的采用，逐次逼近型ADC不需额外的编码电路。因为只有一个比较器，面积随位数增长缓慢，功耗会非常低，所以SARADC主要用于低功耗的应用。图1.4N位逐次逼近型ADC结构图1.4流水线型ADC流水线型ADC(PipelineADC）可以理解为是“多步式ADC”，即对两步式ADC架构的一种延伸，它比两步式ADC多了更多细量化过程。除了输出第一个数字码外，流水线型ADC的每一个周期都可以得到一个数字码。由于流水线结构ADC比其它结构速度更快、精度更高，而且功耗和面积较小，因此被广泛的应用。流水线型ADC的结构如图1.5所示，从图中可以看出，该电路由时钟发生电路、流水线转换级、延时对准寄存器阵列、数字校正电路组合而成。流水线的每一级一般选用相同的结构，主要包括：子DAC、子ADC、采样保持电路、减法电路和级间增益放大器。其中，子ADC一般采用FlashADC结构。此外，一般还把子DAC、减法电路、级间增益放大器加上下一级的S/H电路，整体称为MDAC（MultiplyingDigitaltoAnalogConverter）。两相非交叠时钟控制着流水线ADC的工作，使得每一级都具有两种工作状态：采样相和放大保持相，并且相邻的两个转换级之间的工作相位不同，PipelinedADC的工作原理为：首先，SHA电路完成对输入信号的采样，并在处于保持相时送入第一级，第一级中的采样保持电路对此信号采样，处于保持相时输出，之后sub-ADC对其进行粗量化，得到K1位数字输出。这K1位数字编码一边输送给延时对准寄存器阵列，同时另一边输入sub-DAC转换为模拟量，再在减法电路中与本级采样得到的模拟信号做差，此差值将被放大器在放大相放大，输入给第二级。每一级都重复以上步骤，然后将输出送入数字校正电路，进行延迟对齐，得到N位数字码。值得注意的是，每一级放大器的放大倍数不同，分别是2K1-1至2Kn-1，此外，最后一级的转换由K+1位的FlashADC实现。图1.5N位PipelinedADC结构原理图从上述过程也可以看出，流水型ADC中各子级可以并行转换，转换速率高，所以被广泛地应用在高速高精度领域。但是，流水线型ADC也存在一定的局限性，由于信号的处理是逐级传递的，所以误差也将逐级传递，这就要求前级转换精度要得到保证；此外，当对延时要求非常高时，流水线ADC的应用会限制。1.5Sigma-DeltaADCSigma-DeltaADC，简称∑-∆ADC，由于在低频应用中具有高速度、高分辨率而闻名，常应用于许多通信领域和精密仪器测量中。∑-∆ADC电路由比较器、子DAC、加法器、积分器、基准电压源和数字滤波器构成。其中，数字滤波器在不影响主信号的前提下，完成了对量化噪声的降低，实现了数字信号的高精度转换，对于∑-∆ADC来讲是非常重要的一部分。∑-∆ADC的工作原理是：首先输入的信号与1bitDAC输出信号做差，由此得到一个差