1、半導體集成電路第12章下概要A/D 轉換器的根本原理A / D數字信號模擬信號輸入多路選擇器采樣保持A/D變換輸出選通狀態控制邏輯數字輸出模擬輸入b1b2bnA/D變換器框圖一、根本原理2022/8/25積分型ADC逐次逼近式ADC-ADC閃爍ADC(全并行ADC)流水線ADC折疊ADC二、常用的ADC構造類型2022/8/25三、ADC 的主要技術指標1.分辨率:數字量變化一個最低有效位(LSB)所需的輸入模擬電壓的變化量。取決于滿量程和位數。一般：如滿量程5V，8mV(更多的時候直接用位數來表示分辨率2.轉換時間速率:完成一次從模擬量到數字量所需要的時間。積分型屬ms級，慢速；逐次比較型，

2、微秒級，中速；全并行，納秒級，快速。3.量化誤差:ADC的有限分辨率階梯狀傳輸特性曲線與無限精度傳輸特性曲線之間的最大偏向。通常為1LSB或1/2LSB。2022/8/25數字輸出碼1LSB無限精度特性0000011110101001011100110模擬輸入 舍入式：1/2LSB 舍尾式：1LSB1LSB無限精度特性0模擬輸入2022/8/25A/D 轉換器的常用類型1. 積分型A/D變換器介紹目前較常用的雙斜率積分型A/D變換器初始狀態: S2閉合, S1接至-VA起止信號VREF控制邏輯二進制計數器-VAS1S2VX比較器門控時鐘信號R1數字輸出C12022/8/25控制邏輯二進制計數器

3、-VAVX比較器門控時鐘信號R1數字輸出初始狀態: VX=02022/8/25VREF控制邏輯二進制計數器-VAS1S2VX比較器門控時鐘信號R1數字輸出變換過程: 第一階段 S2翻開， S1繼續接至-VA 2022/8/25控制邏輯二進制計數器-VAVX比較器門控時鐘信號R1數字輸出變換過程: 第一階段 輸入信號進展2N個時鐘周期的積分VX從0開場上升。C12022/8/25tVX2022/8/25VREF控制邏輯二進制計數器-VAS1S2VX比較器門控時鐘信號R1數字輸出變換過程: 第二階段 S1接至VREF， S2保持翻開2022/8/25VREF控制邏輯二進制計數器VX比較器門控時鐘信

4、號R1數字輸出第二階段： 計數器清零后開場計數， VX下降： 當VX下降至0時，計數器停頓計數2022/8/25tVX計數2022/8/25雙斜率積分器輸出波形可變上升斜率VA1VA2固定下降斜率tVXn1n2雙斜率積分型 ADC 的特點: 1. 構造簡單，精度較高(可高達22位分辨率 )，但是速度很慢。ADC相比,由于積分利用兩個時間的比值，所以能消除大局部線性誤差的影響。應用于低速、準確測量等領域，如數字電壓表、數字萬用表、智能化儀表及熱電偶輸出的量化。 計數器的計數值反映輸入電壓的大小2022/8/252. 逐次逼近式SAR A/D變換器控制邏輯N位D/A變換器N位保持寄存器N位移位寄存

5、器比較器模擬輸入VA起止信號時鐘b1b2b3bNMSB逐次逼近寄存器數字輸出一種以相應數字代碼按試探誤差技術對輸入信號進展逼近的方式工作的反響系統. 初始狀態：逐次逼近存放器清零 MSB-1,假設D/A輸出小于VA那么MSB不變,否那么,用0取代1. 照此方式,從高位到低位逐次試探,直到N個周期完成全部位的試探.2022/8/25逐次逼近式A/D變換器判斷圖000VA100110010101111011001100001010011101110111小于1/2VFS大于1/2VFS小于3/4VFS大于3/4VFS大于7/8VFS時鐘周期時鐘周期時鐘周期逐次逼近ADC特點:構造簡單，面積小，功耗

6、低，精度高(最高到達18bit,如AD7641 )。但是由于算法原因，需要 N 個時鐘周期才能完成轉換，速度較慢。被廣泛地應用于便攜/電池供電儀表，工業控制和數據/信號采集器等 2022/8/253. -A/D變換器根據前一采樣值與后一采樣值之差即所謂的增量進展量化編碼的ADC -調制器以遠大于奈奎斯特頻率的采樣率對模擬信號進展采樣和量化，輸出一位的數字位流 ;數字濾波器濾除大局部經-調制器整形后的量化噪聲，并對一位的數據位流進展減取樣，得到最終的量化結果。 閉環反響環路使輸出數字序列對應的模擬平均值等于輸入信號的采樣平均值 2022/8/25- ADC特點及應用場合特點：1.具有較高的轉換精

7、度和性價比，且使用方便。如ADI的AD776020位分辨率、 TI 的ADS123224位。2. 串行接口輸出、外圍器件少,低功耗3. 轉換速率低一般不超過5000sps應用場合：用于高精度的低頻或直流信號測量的應用中。特別是數字音響系統，多媒體地震勘探儀器，聲納、電子測量，頻率合成等領域。2022/8/254. 全并行Flash)A/D變換器VREFRRRVin寄存器編碼及輸出CO7CO6CO1D2D1D0電壓比較器Q7Q1Q6模擬輸入電壓Vin直接與各參考電壓比較，當比較電壓低于Vin時，所有的輸出都是高電平；而當比較電壓高于Vin時，所有的輸出都是低電平 。2022/8/25Flash

8、ADC的特點及應用場合特點：是構造中速度最快的轉換器 面積大，功耗大，精度有限比較器失配等原因應用場合適宜于一些高速、低分辨率通常不會超過位的場合。ADI的典型產品有AD90066位，470Msps，AD90288位，300Msps，AD906010位，75Msps，AD900712位，10Msps等，主要用于數字存儲示波器、圖像處理、雷達和一些軍事用處。 2022/8/25任何時刻相鄰級工作相位相反，當第一級處理輸入實時采樣信號的同時，第二級處理第一級上次輸入采樣信號的被放大的冗余信號。因此輸出滯后輸入K拍。每一級轉換n位，最后由輸出存放器將各級數字輸出組合得到轉換結果，那么整體轉換精度為N=n1+.+ni+.+nk。5. 流水線PipelineA/D變換器采樣保持信號或者上一級冗余輸出去下一級采樣-保持2022/8/25流水線AD變換器特點及應用特點：由于每級都有采樣保持電路，各級可以同時工作，大大進步了轉換速度。此外，流水線構造ADC面積小，功耗較小，低功耗流水線 ADC 的功耗已到達 20mw以下。應用場合常用于無線通信、CCD圖像數據處理、超聲監測等高速應用領域 2022/8/256.折疊FoldingA/D變換器原理示意圖將輸入信號折疊到較小的范圍內，得到低位細分ADC)；高位那么由區間(粗分ADC)確定。2022/