管道ADC,管道ADC原理及作用是什么?

管道ADC,管道ADC原理及作用是什么?

人們都習(xí)慣把管道ADC稱為流水線ADC，流水線結(jié) 構(gòu)中各模數(shù)轉(zhuǎn)換級(jí)處于并行工作狀態(tài)，提高了轉(zhuǎn)換速率;如果要增加A/D轉(zhuǎn)換的分辨率，只需在流水線結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)更多的轉(zhuǎn)換級(jí)，這樣，芯片面積和功耗是隨著分辨率的增加而線性增加的，與全并行結(jié)構(gòu)相比，在高精度的應(yīng)用中會(huì)明顯地減少芯片面積和降低功耗;由于使用了輸入采樣保持電路，能精確地對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行采樣，并且由于級(jí)間放大器的增益大于1，后級(jí)的非線性效應(yīng)會(huì)被前級(jí)的增益所衰減;通過(guò)采用冗余自校正設(shè)計(jì)，可以把電路非理想因素對(duì)線性的影響減到最小。因此，它與其他高速結(jié)構(gòu)相比更適合用于高分辨率ADC。

優(yōu)點(diǎn):

?用到的器件數(shù)目與轉(zhuǎn)換位數(shù)成正比，功耗得到了限制;

?通過(guò)數(shù)字校正電路實(shí)現(xiàn)了較高的精度，但對(duì)所用到的功能電路的性能要求不高;

?每一級(jí)的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正。每一級(jí)具有各自獨(dú)立的采樣放大器，前一級(jí)電路的采?？梢葬尫懦鰜?lái)用子處理下一次的采樣，因此允許流水線各級(jí)同時(shí)對(duì)多個(gè)采樣進(jìn)行處理;

?速度更高，價(jià)格更低，設(shè)計(jì)時(shí)間更少，難度更小;

?模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)多級(jí)轉(zhuǎn)換，但模擬信號(hào)之間為并行處理，可達(dá)到高的轉(zhuǎn)換速度:

?很少有比較器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從根本上消除了火花碼和溫度計(jì)氣泡。

缺點(diǎn):

?復(fù)雜的基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu);

?輸入信號(hào)必須穿過(guò)數(shù)級(jí)電路，造成流水線延遲;

?同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時(shí);

?對(duì)工藝缺陷比較敏感，會(huì)影響增益非線性、失調(diào)以及其他參數(shù);

?與其他轉(zhuǎn)換器相比，對(duì)印制線路板布線更敏感。

基本原理：

基本上，人們都習(xí)慣把管道ADC稱為流水線ADC，因?yàn)椋傲魉€”更符合于他的原理。的原理圖如圖所示:

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器也叫子區(qū)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的每個(gè)子區(qū)具有獨(dú)立的采樣保持電路，形成流水線工作方式。當(dāng)某一級(jí)子區(qū)的轉(zhuǎn)換任務(wù)完成之后，會(huì)將電壓余量傳到下一級(jí)，同時(shí)該級(jí)子區(qū)對(duì)上一級(jí)傳遞過(guò)來(lái)的模擬值進(jìn)行采樣，因此，從整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)說(shuō)是串行的，但是就每一步來(lái)說(shuō)卻是并行的，所以整個(gè)流水線的轉(zhuǎn)換速率是由單級(jí)的最高速率所決定的，與流水線的級(jí)數(shù)無(wú)關(guān)。如圖的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理框圖所示，每一級(jí)流水線結(jié)構(gòu)都會(huì)包括一個(gè)采樣/保持(Sample and Hold)電路、一個(gè)低精度子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Sub-ADC)，一個(gè)子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Sub-DAC )、一個(gè)模擬減法電路、還有一個(gè)增益電路。流 水 線 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字部分一般是用來(lái)進(jìn)行數(shù)字校正或是數(shù)字校準(zhǔn)，當(dāng)只有數(shù)字校正的時(shí)候，數(shù)字電路只需要一些延遲寄存器和進(jìn)位全加器，而當(dāng)采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的時(shí)候數(shù)字電路就很復(fù)雜了，其中會(huì)包括時(shí)序產(chǎn)生電路、誤差系數(shù)RAM，累加器，有時(shí)還會(huì)需要乘法或除法器。

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第一級(jí)所需要的精度要求最高，也可以說(shuō)它決定著整個(gè)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。在第一級(jí)之后的各級(jí)可以逐級(jí)減小精度要求而基本不會(huì)影響整體的精度。所以，流水線的各級(jí)尺寸通常會(huì)被設(shè)計(jì)成逐級(jí)減小形式，其目的是降低功率消耗和節(jié)省芯片面積。一般來(lái)說(shuō)，流水線單級(jí)采用什么樣的結(jié)構(gòu)以及采用多少位數(shù)是根據(jù)總的位數(shù)及功耗、速度等要求來(lái)決定的。流水線各級(jí)的工作是在兩相不交迭時(shí)鐘的控制下完成的，當(dāng)一級(jí)處于采樣保持狀態(tài)時(shí)，其相鄰的兩級(jí)就是增益放大狀態(tài)，而當(dāng)它處于增益放大狀態(tài)時(shí)，其相鄰兩級(jí)就處于采樣保持狀態(tài)。

現(xiàn)狀和發(fā)展

當(dāng)前，高速的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度和速度要求越來(lái)越高，而一般來(lái)說(shuō)高速和高精度不易兼顧，但是流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器卻可以在高速和高精度之間做到很好的折衷，可以同時(shí)獲得相對(duì)較高的精度與采樣速度。國(guó)際上著名的模擬器件廠商TI的典型成熟產(chǎn)品中，14位的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度達(dá)到125MSPS，而ADI的12位的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率已達(dá)到400MSPS，另外，也有16位以上的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品面世。