半導(dǎo)體集成電路第12章下

1、2022-3-18半導(dǎo)體集成電路南京理工大學(xué)電光學(xué)院2022-3-18A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理A / D輸入輸入多路多路選擇器選擇器采樣采樣保持保持A/D變換變換輸出選通輸出選通狀態(tài)控制邏輯狀態(tài)控制邏輯數(shù)數(shù)字字輸輸出出模擬輸入模擬輸入b1b2bnA/D變換器框圖變換器框圖2022-3-18v積分型積分型ADCv逐次逼近式逐次逼近式ADCv-ADCv閃爍閃爍ADC(全并行全并行ADC)v流水線流水線ADCv折疊折疊ADC2022-3-181.1.分辨率分辨率: :數(shù)字量變化一個最低有效位數(shù)字量變化一個最低有效位(LSB)所需的輸入模擬電壓所需的輸入模擬電壓的變化量。取決于滿量程和

2、的變化量。取決于滿量程和位數(shù)位數(shù)。一般：一般：如滿量程如滿量程5V，8位則分辨率為位則分辨率為 5/256=19.5mV(更多更多的時候直接用位數(shù)來表示分辨率）的時候直接用位數(shù)來表示分辨率）2.2.轉(zhuǎn)換時間（速率）轉(zhuǎn)換時間（速率）: :完成一次從模擬量到數(shù)字量所需要的時間。積分型屬完成一次從模擬量到數(shù)字量所需要的時間。積分型屬ms級，慢速；逐次比較型，微秒級，中速；全并行，級，慢速；逐次比較型，微秒級，中速；全并行，納秒級，快速。納秒級，快速。3.量化誤差量化誤差:ADCADC的有限分辨率階梯狀傳輸特性曲線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差。通常為與無限精度傳輸

3、特性曲線之間的最大偏差。通常為1LSB1LSB或或1/2LSB1/2LSB。2022-3-1828REFV58REFVREFV68REFV38REFV48REFV78REFV8REFV1LSB無限精度特性無限精度特性0000011110101001011100110 舍入式：舍入式：1/2LSB 舍尾式：舍尾式：1LSB28REFV58REFV68REFV38REFV48REFV78REFV8REFV1LSB無限精度特性無限精度特性02022-3-18A/D 轉(zhuǎn)換器的常用類型轉(zhuǎn)換器的常用類型1. 1. 積分型積分型A/DA/D變換器變換器（介紹目前較常用的雙斜率積分型（介紹目前較常用的雙斜率積

4、分型A/D變換器）變換器）初始狀態(tài)初始狀態(tài): S2閉合閉合, S1接至接至-VA起止信號起止信號VREF控制控制邏輯邏輯二進二進制計制計數(shù)器數(shù)器-VAS1S2VX比較器比較器門控時鐘信號門控時鐘信號R1數(shù)數(shù)字字輸輸出出C12022-3-18控制控制邏輯邏輯二進二進制計制計數(shù)器數(shù)器-VAVX比較器比較器門控時鐘信號門控時鐘信號R1數(shù)數(shù)字字輸輸出出初始狀態(tài)初始狀態(tài): VX=02022-3-18VREF控制控制邏輯邏輯二進二進制計制計數(shù)器數(shù)器-VAS1S2VX比較器比較器門控時鐘信號門控時鐘信號R1數(shù)數(shù)字字輸輸出出變換過程變換過程: 第一階段第一階段 S2打開，打開， S1繼續(xù)接至繼續(xù)接至-VA 2

5、022-3-18控制控制邏輯邏輯二進二進制計制計數(shù)器數(shù)器-VAVX比較器比較器門控時鐘信號門控時鐘信號R1數(shù)數(shù)字字輸輸出出變換過程變換過程: 第一階段第一階段 輸入信號進行輸入信號進行2N個時鐘周期的積分個時鐘周期的積分VX從從0開始上升。開始上升。11xAdVVdtRC C12022-3-18tVX11xAdVVdtRC 2022-3-18VREF控制控制邏輯邏輯二進二進制計制計數(shù)器數(shù)器-VAS1S2VX比較器比較器門控時鐘信號門控時鐘信號R1數(shù)數(shù)字字輸輸出出變換過程變換過程: 第二階段第二階段 S1接至接至VREF， S2保持打開保持打開2022-3-1811xREFdVVdtRC VRE

6、F控制控制邏輯邏輯二進二進制計制計數(shù)器數(shù)器VX比較器比較器門控時鐘信號門控時鐘信號R1數(shù)數(shù)字字輸輸出出第二階段：第二階段： 計數(shù)器清零后開始計數(shù)，計數(shù)器清零后開始計數(shù)， VX下降：下降： 當當VX下降至下降至0時，計數(shù)器停止計數(shù)時，計數(shù)器停止計數(shù)2022-3-18tVX計數(shù)11xAdVVdtRC 11xREFdVVdtRC 2022-3-18雙斜率積分器輸出波形雙斜率積分器輸出波形可變上升可變上升斜率斜率VA1VA2固定下降斜率固定下降斜率tVXn1n2雙斜率積分型雙斜率積分型 ADC 的特點的特點: 1. 結(jié)構(gòu)簡單，精度較高結(jié)構(gòu)簡單，精度較高(可高達可高達22位分辨率位分辨率 )，但是速度很

7、慢。，但是速度很慢。2.與普通積分型與普通積分型ADC相比相比,由于積分利用兩個時間的比值，所以由于積分利用兩個時間的比值，所以能消除大部分線性誤差的影響。能消除大部分線性誤差的影響。11xAdVVdtRC 11xREFdVVdtRC 應(yīng)用于低速、精確測量等領(lǐng)域應(yīng)用于低速、精確測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表，如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表、智能化儀表及熱電偶輸出的、智能化儀表及熱電偶輸出的量化。量化。 計數(shù)器的計數(shù)值反映輸入電壓的大小計數(shù)器的計數(shù)值反映輸入電壓的大小2022-3-182. 2. 逐次逼近式（逐次逼近式（SAR ）A/DA/D變換器變換器控制邏輯控制邏輯N位位D/A變換器變換器N

8、位保持寄存器位保持寄存器N位移位寄存器位移位寄存器比較器比較器模擬輸入模擬輸入VA起止信號起止信號時鐘時鐘b1b2b3bNMSB逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器數(shù)數(shù)字字輸輸出出一種以相應(yīng)數(shù)字代碼按試探誤差技術(shù)對輸入信號進行逼近的方式工作的反饋系統(tǒng)一種以相應(yīng)數(shù)字代碼按試探誤差技術(shù)對輸入信號進行逼近的方式工作的反饋系統(tǒng). 初始狀態(tài)：逐次逼近寄存器清零初始狀態(tài)：逐次逼近寄存器清零 MSB-1,若若D/A輸出小于輸出小于VA則則MSB不變不變,否則否則,用用0取代取代1. 照此方式照此方式,從高位到低位逐次試探從高位到低位逐次試探,直到直到N個周期完成全部位的試探個周期完成全部位的試探.2022-3-18

9、逐次逼近式逐次逼近式A/D變換器判斷圖變換器判斷圖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逐次逼近ADC特點特點:結(jié)構(gòu)簡單，面積小結(jié)構(gòu)簡單，面積小，功耗低，精度高，功耗低，精度高(最高達到最高達到18bit,如如AD7641 )。但是由于算法原因但是由于算法原因，需要，需要 N 個時鐘周個時鐘周期才能完成轉(zhuǎn)換，期才能完成轉(zhuǎn)換，速度較慢。速度較慢。被廣泛地應(yīng)用于便攜被廣泛地應(yīng)用于便攜/電池電池供電儀表，工業(yè)控制和數(shù)據(jù)供電儀表，工業(yè)控

10、制和數(shù)據(jù)/信號采集器等信號采集器等 2022-3-183. 3. -A/DA/D變換器變換器根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差（即所謂的增量）進行量化編碼的根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差（即所謂的增量）進行量化編碼的ADCADC -調(diào)制器以遠大于奈奎斯特頻率的采樣率對模擬信號進行采調(diào)制器以遠大于奈奎斯特頻率的采樣率對模擬信號進行采樣和量化，輸出一位的數(shù)字位流樣和量化，輸出一位的數(shù)字位流 ;數(shù)字濾波器濾除大部分經(jīng)數(shù)字濾波器濾除大部分經(jīng)-調(diào)制器整形后的量化噪聲，并對一位的數(shù)據(jù)位流進行減取樣調(diào)制器整形后的量化噪聲，并對一位的數(shù)據(jù)位流進行減取樣，得到最終的量化結(jié)果。，得到最終的量化結(jié)果。 閉環(huán)反饋環(huán)路使輸

11、出數(shù)字閉環(huán)反饋環(huán)路使輸出數(shù)字序列對應(yīng)的模擬平均值等序列對應(yīng)的模擬平均值等于輸入信號的采樣平均值于輸入信號的采樣平均值 2022-3-18- ADC特點及應(yīng)用場合特點：特點：v1.具有較高的轉(zhuǎn)換精度和性價比，且使用方便。如具有較高的轉(zhuǎn)換精度和性價比，且使用方便。如ADI的的AD7760（20位分辨率）、位分辨率）、 TI 的的ADS1232（24位）。位）。v2. 串行接口輸出、外圍器件串行接口輸出、外圍器件少少,低功耗低功耗v3. 轉(zhuǎn)換速率低（一般不超過轉(zhuǎn)換速率低（一般不超過5000sps）應(yīng)用場合：應(yīng)用場合：v用于高精度的低頻或直流信號測量的應(yīng)用中。特別是數(shù)字音用于高精度的低頻或直流信號測量

12、的應(yīng)用中。特別是數(shù)字音響系統(tǒng)，多媒體地震勘探儀器，聲納、電子測量，頻率合成響系統(tǒng)，多媒體地震勘探儀器，聲納、電子測量，頻率合成等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。2022-3-184. 4. 全并行（全并行（Flash)Flash)A/DA/D變換器變換器VREFRRRVin寄存器寄存器編碼及輸出編碼及輸出CO7CO6CO1D2D1D0電壓比較器電壓比較器Q7Q1Q6模擬輸入電壓模擬輸入電壓Vin直接與各參考電壓比較，當比較電壓低于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；而當比較電壓高于時，所有的輸出都是高電平；而當比較電壓高于Vin時，所有時，所有的輸出都是低電平的輸出都是低電平 。

13、2022-3-18Flash ADC的特點及應(yīng)用場合特點：特點：v是已知結(jié)構(gòu)中速度最快的轉(zhuǎn)換器是已知結(jié)構(gòu)中速度最快的轉(zhuǎn)換器 v面積大，功耗大，精度有限（比較器失配等原因）面積大，功耗大，精度有限（比較器失配等原因）應(yīng)用場合應(yīng)用場合v適合于一些高速、低分辨率（通常不會超過位）適合于一些高速、低分辨率（通常不會超過位）的場合。的場合。ADI I的典型產(chǎn)品有的典型產(chǎn)品有AD9006（6位，位，470Msps），），AD9028（8位，位，300Msps），），AD9060（10位，位，75Msps），），AD9007（12位，位，10Msps）等，等，主要用于數(shù)字存儲示波器、圖像處理、雷達和一些主要

14、用于數(shù)字存儲示波器、圖像處理、雷達和一些軍事用途。軍事用途。 2022-3-18任何時刻相鄰級工作相位相反，當?shù)谝患壧幚磔斎雽崟r采樣信號的同時，任何時刻相鄰級工作相位相反，當?shù)谝患壧幚磔斎雽崟r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。因此輸出滯后輸入輸入K拍。拍。每一級轉(zhuǎn)換每一級轉(zhuǎn)換n位，最后由輸出寄存器將各級數(shù)字輸出組合得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，位，最后由輸出寄存器將各級數(shù)字輸出組合得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，則整體轉(zhuǎn)換精度為則整體轉(zhuǎn)換精度為N=n1+.+ni+.+nk。5. 5. 流水線（流水線（Pipeline）A/DA/D

15、變換器變換器采樣保持信號采樣保持信號（或者上一級冗余輸出）（或者上一級冗余輸出）去下一級去下一級采樣采樣-保持保持2022-3-18流水線AD變換器特點及應(yīng)用特點：特點：v由于每級都有采樣保持電路，各級可以同時由于每級都有采樣保持電路，各級可以同時工作，大大提高了轉(zhuǎn)換速度。工作，大大提高了轉(zhuǎn)換速度。v此外，流水線結(jié)構(gòu)此外，流水線結(jié)構(gòu)ADC面積小，功耗較小，面積小，功耗較小，低功耗流水線低功耗流水線 ADC 的功耗已達到的功耗已達到 20mw以以下。下。應(yīng)用場合應(yīng)用場合v常用于無線通信、常用于無線通信、CCD圖像數(shù)據(jù)處理、超聲圖像數(shù)據(jù)處理、超聲監(jiān)測等高速應(yīng)用領(lǐng)域監(jiān)測等高速應(yīng)用領(lǐng)域 2022-3-186.6.折疊（折疊（FoldingFolding）A/DA/D變換器變換器原理示意圖原理示意圖將輸入信號折疊到較小的范圍內(nèi)，得到低位（細分將輸入信號折疊到較小的范圍內(nèi)，得到低位（細分ADC)；高高位則由區(qū)間位則由區(qū)間(粗分粗分ADC)確定。確定。2022