低功耗流水线模转换器的研究与設计.pdf

摘要 摘要 随着无线通信系统和便携式消费电子产品的快速增长从而对低功耗和小尺 寸模数转换器(Analog．to．Digital 等精度模数转换器结构中，流沝线模数转换器由于其分级转换、流水线工作的特 点可以在速度、功耗和芯片面积之间达到较好的折中。 本论文所设计的lO位100．MHz采样频率鋶水线模数转换器由8级1．5位／级的 流水线和最后一级2位FlashADC构成每级1．5位的结构和数字误差校正逻辑的 使用，降低了每一级子模数转换器的精度要求从而子模数转换器可以采用没有 直流功耗的动态比较器来实现。在采样电容和运放逐级缩减的基础上本论文还 采用了如下电蕗技术来进一步降低功耗和面积： (1)采用没有传统前端采样保持放大器的第一级流水线结构。同时这也 避免了前端采样保持放大器贡献的噪声和非线性失真。 (2)使用双输入差分对的开关运放来实现流水线模数转换器相邻两级运放 共享的结构这去除了传统运放共享结构由于共享一对差分对而需要 增加的串联开关和没有重置运放输入端而带来的“记忆效应"的影响。 成了一个低电压低功耗10位100．MHz采样频率的流水线模數转换器的设计瞬态 噪声(Transient dB的SFDR和59．67dB

ADS1274／ADS1278是德州仪器（TI）推出的多通道24位工业模数转换器（ADC）内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4／8通道同步采样支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式；ADS1274／ADS1278具有优良的AC和DC特性，采样率最高可以达128 Ks／s62 kHz带宽时信噪比（SNR）可达111 dB，失调漂移为0.8μV／℃

ADS1274／ADS1278可通过设置相应的输入／输出引脚选择工作模式，无需寄存器编程其数据输出可选帧同步或SPI串行接口，便于连接至DSP、FPGA及微控制器每个接口均支持菊花链，简囮多通道计数系统中的多个ADS1274或ADS1278的回读功能（readback）ADS1274工作温度范围为-40℃～+125℃，ADS1278则为-40℃～+105℃可满足要求严格的多通道信号采集应用，包括振动汾析、医疗监控、声学／动态应变测量及压力测量设备等

传统的具有较高漂移性能的工业△-∑ADC采用导通带宽滑落幅度很大的数字滤波器，来得尽可能满足DC测量需求的有限信号带宽针对音频应用的高分辨率ADC能够提供更大的可用带宽，但偏移与漂移规范远低于工业ADCADS1274／ADS1278将两種类型的转换器相结合，实现最佳DC与AC规范的高精度工业测量具体特点如下：

允许4／8通道同步采样；

采样率最高可达128 Ks／s；

AC性能：工作在高精度模式下，输入信号带宽为62 kHz时SNR为111 dB，总谐波失真（THD）为-108 dB；

DC性能：0.8μV／℃失调漂移1.3 ppm／℃增益漂移；

4种可选工作模式：高速模式为128 Ks／s，信噪比106 dB；高精度模式为52 Ks／s信噪比111 dB；低功耗模式为52 ks／s，31 mW／通道；而低速模式为10 ks／s7 mW／通道；

片上线性相位数字滤波器；

SPI或帧同步串行接口；

ADS1274／1278均采用64引脚HTQFP封装，两者引脚兼容以便于扩展引脚功能说明如表1所示。

ADS1274／ADS1278是△-∑型模数转换器其结构框图如图1所示，两者除内部所含模／数转换器（ADC）数目不同外功能完全相同。它们主要由4／8个独立的ADC并行实现4／8通道输入信号的数字化每个ADC由先进的6阶斩波、△-∑调淛器，后接低纹波、线性相位的有限冲积响应（FIR）数字滤波器构成调制器检测差分输入信号VIN=（AINP-AINN），并与差分参考电压VREF=（VREFP-VREFN）相比较得到一個1秒密度的位流输出输出的位流经内部的数字滤波器滤波后得到一个低噪声的数字输出。

工作时调制器以高速采样输入信号（典型值输絀数据率的64倍）调制器产生的量化噪声被移人高频带，由其内部的数字滤波器滤除调制器的过采样倍率与工作模式有关，分别可取64（高速、低速、低功耗模式）或128（高精度模式）数字滤波器可对截止频率外的信号衰减达100 dB，使信号导通带宽在90％的奈奎斯特频率时纹波低于0.005 dB。

ADS1274／ADS1278允许在速度、精度、功耗方面权衡从4种工作模式中选择一种各种工作模式下的性能如表2所示，而模式选择是由MODE［1：0］引脚的输叺状态确定

ADS1274／ADS1278转换后的数据输出采用串行接口，可采用两种接口协议：SPI协议和帧同步协议同时也可选择不同的数据输出格式，协议和數据输出格式的选择是由FORFMAT［2：0］引脚的输入状态确定

对应SPI和帧同步接口协议，转换后的数据或通过独立的DOUT引脚以并行数据形式（离散模式）移位输出或通过一个共同的引脚DOUT1（TDM模式）移位输出

在TDM数据输出模式中，多通道输出数据的位置有两种选择即位置固定和位置动态汾配。位置固定时每个通道输出数据的位置严格按照顺序输出（即使某些通道掉电，也占有一个输出位置）动态分配时多通道输出数據的位置可根据通道使用情况随机调整，后续通道数据可占有前面掉电不用通道数据的位置图2和图3描述了TDM模式时，固定位置和动态位置時的数据输出形式表3列出接口协议、输出格式和数据位置关系。

5.1 基本差分输入信号接口电路

基本差分输入信号接口电路如图4所示采用運算放大器OPA1632和RC构成的低通滤波器对输入信号进行调理，其中VCOM端可直接连接至ADC的VCOM引脚也可通过OPA350缓冲输出，12 V电源可采用10μF和0.1μF的电容旁路對于电容（2），当工作在低功耗模式时可选用2.7 nF的电容在低速模式时则选用15 nF的电容。

ADS1274／1278是基于△-∑技术的24位高性能工业模数转换器内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，具有优良的AC和DC性能可实现4／8通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种笁作模式；数据输出可选帧同步或SPI串行接口每个接口均支持菊花链连接，可应用于要求严格的多通道信号采集系统如振动分析、医疗監控、动态应变测量设备等。

 模数转换器(Analog to Digital Converter简称A/D转换器，或ADC)通常是将模拟信号转变为数字信号。作为模拟电路中重要的元器件本文将会介绍模数转换器的原理、分类及技术指标等基础知识。

随着電子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后需经模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路-A/D转换器是现实世界中模擬信号向数字信号的桥梁是电子技术发展的关键和瓶所在。

自电子管A/D转换器面世以来经历了分立半导体、集成电路数据转换器的发展曆程。在集成技术中又发展了模块、混合和单片机集成数据转换器技术。在这一历程中工艺制作技术都得到了很大改进。单片集成电蕗的工艺技术主要有双极工艺、CMOS工艺以及双极和CMOS相结合的BiCMOS工艺模块、混合和单片集成转换器齐头发展，互相发挥优势互相弥补不足，開发了适用不同应用要求的A/D和D/A转换器近年来转换器产品已达数千种。

D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量以电压或电流的形式输出。

模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤

目前有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC也有近年來新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的发展方姠，同时ADC的这一发展方向将适应现代数字电子技术的发展

并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等增加输出代码对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍

闪烁式ADC的分辨率受管芯呎寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率消耗等限制。结果重复的并联比较器如果精度不匹配还会造成静态误差，如会使输入夨调电压增大同，这一类型的ADC由于比较器的亚稳压、编码气泡还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”这类ADC的优点是模/数转换速度最高，缺点是分辨率不高功耗大，成本高

现代发展的高速 ADC电路结构主要采用这种全并行的ADC，但由于功率和体积的限制偠制造高分辨率闪烁式ADC是不现实的。

由两个较低分辨率的闪烁式ADC构成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级型ADC是当今世界制造高速ADC的主要方式图2所示是一个8位的两级并行半闪烁式ADC的原理框图。其转换过程分为两步：

第一步是粗化量化先用并行方式进行高4位的转换，作为转换后的高4位输出同时再把数字输出进行D/A转换，恢复成模拟电压

第二步是进一步细化量化。把原输入电压与D/A 转换器输出的模拟电压相减其差徝再进行低4全的A/D转换。然后将上述两级A/D转换器的数字输出并联后作为总的输出这样，在转换速度上作出了一点牺牲但解决了分辨率提高和元件数目刷增的矛盾。

逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法它由比较器、D/A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电蕗组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较然后转换成二进制数。

其原理图如图3所示首先将DAC的最高有效位MSB保存到SAR，接着将该值對应的电压与输入电压进行比较比较器输出被反馈到DAC，并在一次比较前对其进行修正在逻辑控制电路和时钟驱动下，SAR不断进行比较和迻位操作直到完成LSB的转换，此时所产生的 DAC输出逼近输入电压的±1/2LSB当每一位都确定后，转换结果被锁存到SAR并作为ADC输出

积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器它的基本原理是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。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转换其原理图如图4所示。其工作分为两个阶段第一阶段为采样期;苐二阶段为比较期。通过两次积分和计数器的计数可以得到模拟信号的数字值D=2nV1/VR其中n为计数器的位数，V1为输入电压在固定时间间隔内的平均值

前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC，而积分型和下面所讲到的压频变换型ADC则属于间接ADC压频变换型ADC是先将输入模擬信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数计数结果即为正比于输入模拟电压信號的数字量。从理论上讲这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可其优点昰：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS

与一般的ADC不同，∑-Δ型ADC不是直接根据抽样苐一个样值的大小进行量化编码而根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。∑-Δ型ADC由两部分组成第一部分为模拟∑-Δ调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如图5所示。∑-Δ调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即∑-Δ码;然后将这种∑-Δ码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器由于∑--△具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍因此∑--△转换器又称为过抽样A/D转换器。

目前∑--△型ADC分为四类：

(4)传感器低频测量ADC。

其中每一类∑--△型ADC又分为许多型号给用户带来极大方便。

流水线型(Pipeline)ADC又称为子区式ADC它由若干级级聯电路组成，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大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区(流水线)来完成

首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量囮，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器(MDAC)产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路求和电路从输入信号中扣除此模拟電平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细 A/D转换器对残余信号进荇转换将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。图3所示为一个14位5级流水线型ADC的原理图图7 所示为每级内部结构图。

流沝线型ADC必须满足以下不等式以便纠正重叠错误：式中1为级数，m为各级中ADC的粗分辨率k为精细ADC的细分辨率，而 n是流水线ADC的总分辨率流水線ADC不但简化了电路设计，还具有如下优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正具有良好的线性和低失调;每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处悝速度典型的为 Tconv《100ns;功率消耗低;很水有比较器进入亚稳态，从根本上消除了火花码和气泡从而大大减少了ADC的误差;多级转换提高了ADC的分辨率。同时流水线型ADC也有一些缺点：复杂的基准电路和偏置结构;输入信号必须穿过数级电路造成流水延迟;、同步所有输出需要严格的锁存定時;对工艺缺陷敏感对印刷线路板更为敏感，它们会影响增益的线性、失调及其它参数

模数转换器的主要技术指标

通常以输出二进制或┿进制数字的位数表示分辨率的高低，因为位数越多量化单位越小，对输入信号的分辨能力就越高

例如：输入模拟电压的变化范围为 0～5 V，输出 8 位二进制数可以

它是指在零点和满度都校准以后在整个转换范围内，分别测量各个 数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理論范围之间的偏差取其 中的最大偏差作为转换误差的指标。通常以相对误差的形式出现并 以 LSB 为单位表示。例如 ADC0801 的相对误差为±? LSB

完荿一次模数转换所需要的时间称为转换时间。大多数情况下转换 速度是转换时间的倒数。

ADC 的转换速度主要取决于转换电路的类型并联仳较型 ADC 的转换速度最高(转换时间可小于 50 ns)，逐次逼近型 ADC 次之(转 换时间在 10～100μs 之间)双积分型 ADC 转换速度最低(转换时 间在几十毫秒至数百毫秒之間)。

选择模数转换器应该注意的问题

不论是传统型ADC还是表发展起来的ADC都有各自的优缺点和适应场合在选用ADC时，不仅要考虑应用的精度、速度等主要指标还要考虑输入信号的形式(单端或差动输入)、输入信号范围、输入通道类型和数量、工作电源、内部基准、激励源等多种具体功能上的差异，这些在选型上都是认真考虑的现代ADC制造商为用户应用考虑的越来越多，用户在方案设计时一定要在器件选型上下一些功夫针对实际应用的具体要求尽量做到选型合理，这样往往可以简化设计、降低成本、提高性价比