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模拟集成电路设计—模/数转换器设计

信息来源:整理综合自《集成电路产业全书》 | 发布日期: 2022-06-22 | 浏览量:
关键词:模拟集成电路设计—模/数转换器设计

典型的ADC类型包括双积分型ADC、Sigma-Delta型ADC、逐次逼近(SAR)型ADC、流水线(Pipelined) 型ADC和Flash型ADC等。


双积分型ADC是一种间接型ADC,它先对输入的采样信号和基准电压进行两次积分,获得与输入信号成正比的时间间隔;同时用计数器对标准时钟脉冲计数,计数器的计数值就是ADC输出的数字量。在具体电路中,运放和比较器的失调是一个重要的性能限制因素,需要采用自动调零等方法进行消除。


Sigma-Delta型ADC也称为过采样ADC。它由Sigma-Delta调制器及连接其后的数字滤波器构成,尤其适用于音频信号处理、生物医疗信号采集等低额高精度模数转换要求的应用中。其高精度转换来源于两种主要技术,即过采样技术和噪声整形技术。过采样技术将信号带宽变为奈奎斯特频率的一小部分,因此,量化噪声被分散到更宽的频率范围。噪声整形技术通过改变噪声传递函数,降低带内噪声,进一步提高所关心频带以内的信噪比。对于所关心频带以外的较大部分频带的量化噪声,可以采用数字技术进行消除。


逐次逼近型ADC是一种直接型ADC,它产生-系列比较电压,从高位到低位逐次将比较电压与输入电压进行比较,以逐渐逼近的方式进行模/数转换。逐次逼近型ADC可以使用电容网络及电荷再分配方式,理论上可以实现较低的功耗。逐次逼近ADC属于中速ADC器件,近年来多种新技术,特别是异步工作方式的采用,不断提高了逐次逼近型ADC的转换速率。


流水线型ADC又称子区式ADC,由级联的若干结构相似的低精度模/数转换器电路组成,能提供中速、高分辨率的模数转换。由于流水线型ADC中各级电路分别有自己的采样/保持电路,只要某一级完成 了采样的变换并把结果输入给下一级,本级电路就可释放出来处理下一次采样,因此流水线操作提高了转换速度。对于流水线型ADC,最严格的要求在输入的采样保持电路以及流水线的前几级。DAC 的误差会修改整个LSB段的余量,从而影响整个ADC的线性度。所以,前级DAC精度必须比ADC所要求的INL更高,以确保整体响应的线性度。


Flash 型ADC称闪烁型ADC。输入信号被采样后同时与多个参考电压进行比较,因此转换速度快,是一种直接型ADC。Flash ADC有以下几个限制因素需要注意。第一,一个N位的Flash ADC需要2N-1个比较器。分辨率N的提高,会使电路面积和功耗都增大很多。第二,比较器个数过多带来输入带宽减小。第三,由于电阻串将参考电压分成多段接入比较器,所以需要比较器在较宽的共模输入范围内保证足够小的失调和相似的延迟。第四,电阻串的失配带来各个比较电平的误差,影响ADC的线性度。第五,比较器的回踢噪声造成比较器输入端的不稳定。


除了上述单通道ADC类型,多个单通道可以采用时间交织( Time Interleaved, TI)的方式进行集成,从而大大提高采样速率。TI ADC的基本原理是通过时钟的相位差来控制各通道ADC在不同时刻进行采样和转换。然而,在具体实现过程中,时间交织型ADC面临各种设计挑战:首先是设计保持足够线性度的宽带采样保持电路,需要综合考量导通阻抗、失配、寄生、信号耦合干扰、功耗等多方面因素;其次,时钟抖动要求苛刻,甚至达到飞秒(fs) 级别。


因此,时钟的分布和设计将耗费大量的功耗,同时对噪声和电源稳定性提出了更高的要求。再次,多个并行通道间存在失配误差,包括失调误差、增益误差、采样时间误差和带宽误差。这些误差随着工艺、电源电压、温度(Process,Vollage, Temperature, PVT)变化,可能造成校准后误差的再次出现,因而需要可靠而高效的校准算法以及实现电路。最后,TI ADC与数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)集成在同一芯片上来完成ADC校准以及其他数字信号处理工作时,会造成数字电路到模拟电路的噪声耦合,降低整个ADC的性能,使得ADC的噪声设计变得更加困难。



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