流水線ADC和其它ADC對比分析

一、并行ADC

1.ADC簡介

背景知識：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to digital Converter，簡稱ADC）是模擬與數(shù)字世界的接口，為了適應(yīng)計算機(jī)、通訊、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展以及高新技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)程的不斷加快，ADC正朝著低功耗、高速、高分辨率方向發(fā)展。目前市場化的ADC有很多種類型。

近年來，我國在有限的工藝水平條件下積極開展了對ADC的研究，并取得了令人鼓舞的成果，但是與國際水平相比尚有差距，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計也略顯單調(diào)，折疊式、流水線型、E一△型結(jié)構(gòu)鮮見報道。統(tǒng)計資料表明，8-12位精度范圍的高速A/D轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用最廣泛、需求最迫切的品種，因此研制出我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速高精度、高速、低功耗的ADC具有十分重要的意義。目前市場化的ADC有多種結(jié)構(gòu)，如并行（Flash，或稱Parallel）A DC，逐次逼近型ADC、積分型ADC，壓頻變換型ADC以及流水線型ADC和Delta-Sigma型ADC等，其中后兩種ADC是新發(fā)展起來的，這些ADC各有各的特點(diǎn)，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，選用的ADC的結(jié)構(gòu)也是不同的。

2.基本原理

并行ADC轉(zhuǎn)換器是目前速度很快的一種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在設(shè)計思想很容易理解。一個n位的并行ADC包含2n-1個比較器和2n-1個參考電壓值（對于一般的電壓模電路，對于電流模電路，是參考電流值）。每一個比較器對輸入信號采樣并把輸入信號與參考電壓相比較，然后每一個比較器產(chǎn)生一位輸出，表明輸入信號比參考電壓大還是小。2n-1個比較器輸出通常稱為溫度計代碼。該名稱的來源是，如果把比較器的輸出根據(jù)參考電壓值的大小順序排成一列，所有的1都在下面，所有的0都在上面，0和1的分界線表示信號值所在的范圍，由于和水銀溫度計表示溫度的方法相類似，因此稱為溫度計代碼。如圖為一個簡單的3位并行ADC的結(jié)構(gòu)圖。譯碼器把比較器產(chǎn)生的溫度計代碼轉(zhuǎn)換成如表所示的二進(jìn)制代碼。如圖所示，所有的比較器并行工作。因此，轉(zhuǎn)換速度僅僅受比較器的速度或采樣速度的限制，所以并行ADC具有很高轉(zhuǎn)換速度。

并行ADC的不足之處是硬件需求量大和對比較器偏移比較敏感。上面己經(jīng)提到，一個n位的ADC需要2n-1個比較器。因此，高分辨率的并行ADC需要較大的芯片面積，這樣電路的功耗也增加很多。此外，大量的比較器使采樣電路要驅(qū)動很大的電容。n位分辨率的并行ADC要求比較器的偏移小于VR/2n。在較高的分辨率下，這要求比較器的偏移非常小。由于小偏移的比較器設(shè)計難度大、價格高，而且所用的比較器數(shù)量很大，因此超過8位的ADC很少用全并行結(jié)構(gòu)。

二、流水線ADC和其它ADC的比較

1. 與逐次逼近型比較

在逐次逼近（SAR）ADC中，用一個高速高精度比較器將模擬輸入和前一次得到的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DAC后的輸出相比較，依次得到MSB到LSB的每一位，逐漸逼近輸入模擬信號。SAR的這一串行工作方式從本質(zhì)上限制了它的工作速度，最高約為幾Msps左右，對更高的分辨率（14到16位）速度就更低。流水線ADC則不同，它是并行結(jié)構(gòu)，各級同時以逐次方式得到1位或幾位。雖然SAR中只需一個比較器，但是這個比較器必須高速工作（速率約為總位數(shù)×采樣速率），其精度必須與ADC本身一樣高，相反，流水線ADC內(nèi)的比較器則不需要這一速度和精度。

當(dāng)然，流水線ADC通常比相同位數(shù)的SAR占據(jù)更多的硅片面積。SAR只需一周期的延遲時間（=1/Fsample）就得到結(jié)果，而流水線ADC需要3或更多周期的延遲。與流水線ADC一樣，12位精度以上的SAR也需要某些形式的校正和標(biāo)定。

2. 與閃速型比較

盡管流水線ADC是并行機(jī)制，但它還需要DAC的精密轉(zhuǎn)換和級間增益放大，因此存在建立時間問題。純閃速型ADC不同，它有大量的比較器，每個比較器由寬帶，低增益前置放大和鎖存器構(gòu)成。該前置放大器不像流水線ADC中的放大器，它只需提供增益，不需要線性和精度，只是比較器的觸發(fā)點(diǎn)要很精確。因此流水線ADC速度根本比不上設(shè)計得很好的閃速型ADC.

雖然超高速8位閃速ADC（及各種合并/插值變體）的采樣速率高達(dá)1.5Gsps（比如MAX104/MAX106/MAX108），但是很難找到10位的閃速ADC，特別是12位及高于12位的ADC還沒有商用化。這是因?yàn)殚W速ADC分辨率每增加1位，比較器數(shù)量就增加1倍，同時每個比較器的精度必須增加1倍。流水線ADC則不同，它的復(fù)雜性隨分辨率線性增加，不是指數(shù)增加。

在相同的采樣速率下，流水線ADC比閃速ADC消耗功率少得多。流水線ADC不易受比較器亞穩(wěn)態(tài)的影響。閃速ADC中的比較器亞穩(wěn)態(tài)會導(dǎo)致火花碼錯誤（即ADC輸出不可預(yù)測、不穩(wěn)定結(jié)果的情況）。

3. 與Σ-Δ型比較

過采樣/Σ-Δ型ADC多用于帶寬限于22KHz以內(nèi)的數(shù)字音響中。但是最近一些Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在12到16位的分辨率下達(dá)到了1至2MHz的帶寬。它們通常是高階的Σ-Δ調(diào)制器（比如4階或更高），同一個多位的ADC和多位的DAC一起工作，主要應(yīng)用于ADSL。Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器無需校正/標(biāo)定，即使是16到18位分辨率，也不需要模擬輸入前的陡峭滾降的抗混疊濾波器，因?yàn)樗牟蓸宇l率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有效帶寬，它由后端的數(shù)字濾波器來處理混疊問題。Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器的過采樣本質(zhì)還把模擬輸入中的任何系統(tǒng)噪聲“平均濾除”。

但是Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器是以犧牲速度換取分辨率的。每輸出一次采樣結(jié)果都需要對輸入采樣很多次（比如至少16次，甚至更多），這就需要Σ-Δ調(diào)制器中模擬元件的工作速率要比最終數(shù)據(jù)輸出速率快很多。數(shù)字濾波器的設(shè)計比較繁瑣，另外，它也占據(jù)了一些硅片面積。目前，最快的高分辨率Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器還達(dá)不到幾MHz的帶寬。像流水線ADC一樣，Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器也有延遲。
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