新型流水线ADC原理及应用

yangjin0730

  新型流水线ADC原理及应用
1/6
新型流水线ADC原理及应用
Maxim公司北京办事处徐继红
摘要：介绍一种新型单片A/D 转换技术——流水线ADC，阐述了其结构、工作原理
和性能特点，并针对使用中的一些问题给出解决方法。
关键词：A/D转换器 流水线 动态性能
Abstract: Introduce a novel technique of A/D conversion — pipeline ADC, and its
architecture, principle, and performence. In addition, provide some solutions addressing
application problem.
Key words: A/D converter pipeline dynamic performance
近年来，随着通信和多媒体市场的快速增长，数字信号处理技术也得到了迅猛发展，
并广泛地应用于各个领域。采用数字信号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法，完
成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。随
着滤波、变频、调制/解调等其它一些处理任务进入数字领域，模拟单元的任务变得越来越
单一了，但是，对于作为模拟系统和数字系统之间桥梁的A/D转换器的要求却越来越高了。
例如，传统的模拟无线电系统中，射频、中频及基带处理全部采用模拟方式，经过优化处
理后的模拟信号只需要一个低性能的ADC（8 位、100ksps）数字化后即可送往DSP 或微
处理器。而在随后发展起来的数字无线系统和软件无线系统中，从中频甚至射频就开始进
行数字化处理，A/D 转换被移到中频并尽可能地靠近天线。ADC 越靠近天线或传感器意味
着将有越多的噪声和干扰信号与有用信号一起进入其输入端，ADC 不仅必须有效地捕捉有
用信号，而且还要阻止这些干扰信号在数字化过程中污染有用信号，这就要求ADC 具有
比原来高得多的取样速度。除此之外，ADC 还要具有足够大的动态范围，以便能够接纳强
干扰信号；量化噪声要足够小，以便处理微弱的目标信号；还要具有优良的线性，避免强
干扰信号的谐波和互调分量掩盖掉微弱的目标信号等等……一个典型的数字无线系统需要
十几到数十Msps取样速率、SFDR 大于80dB 的14位或更高精度的ADC。
迄今为止，应用最为广泛的单片ADC 主要包括以下几种类型：积分型、逐次逼近型、
Σ-Δ型和闪电式ADC，其中前三种都无法达到很高的速度，一般在1Msps 以内。闪电式
ADC 可以达到极高的取样速度（1Gsps 以上），但其自身也存在一些无法克服的问题。首
先是其规模随着转换精度的提高而指数式增大，给芯片的设计和使用带来许多问题，这种
结构的单片ADC 一般都在8 位以内；闪电式ADC 的另外一个问题是由于内部2N-1（N 位
分辨率）个比较器的亚稳态和失配引起的闪烁码，造成输出的不确定。
新型流水线ADC原理及应用
2/6
为满足现代数字无线系统、通信、高精度成像系统、高速数据采集系统等对于高速、
高精度A/D 转换器的需求，一些IC 制造商推出另外一种采用流水线结构（Pipeline）的单
片ADC。这种新的A/D 转换技术能够提供优异的动态特性，可对输入信号高速、高精度
采样，并且具有令人满意的低功耗并可提供小尺寸的芯片（小尺寸意味着低价格），应用前
景十分广阔。下面简要介绍其工作原理和应用特点。
1 工作原理
流水线（或称为子区式）ADC 的功能框图如图1 所示。这种结构的A/D 转换器采用
多个低精度的闪电式ADC 对取样信号进行分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，
构成一个高精度的量化输出。每一级由采样/保持电路（T/H）、低分辨率ADC 和DAC 以
及求和电路构成，求和电路还包括可提供增益的级间放大器。一个N 位分辨率的流水线ADC
完成一次采样的流程大致如下：首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个M 位
分辨率的粗A/D 转换器对输入进行量化，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送至求和电路，求和电路从输入信号中扣
除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。经过L 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行转换。将上述各级粗、
细A/D 的输出组合起来构成高精度的N 位输出。为了便于纠正重叠误差，流水线各级电路
图1. 流水线ADC功能框图
新型流水线ADC原理及应用
3/6
都留有冗余位，即满足：
L·M+K ＞ N
流水线ADC 的误差源主要包括：
·各级粗ADC 的增益、偏置与线性误差
·各级DAC的增益、偏置及线性误差
·各级DAC的建立时间
·各级求和电路的增益、偏置、线性及建立时间误差
·细ADC 的增益、偏置与线性误差
这些误差会进一步影响流水线ADC的样本转换，导致整个ADC 转移函数的非线性与失
码。新型单片流水线ADC 普遍采用数字校正技术来消除这些误差。校正的方法一般是从后
向前逐级测出每一级的误差，将误差保存于内部存储器，正常测量时再取回该误差对各级
的转换结果进行修正。
流水线ADC 中各级电路分别有自己的跟踪/保持电路，因此当信号传递给次级电路后
本级电路的跟踪/保持器就可释放出来处理下一次取样。这样提高了整个电路的吞吐能力，
一次采样可在一个时钟周期内完成，但随之而来的另外一个问题就是流水线延迟，每次取
样的转换结果要等待若干个时钟周期延迟后才能出现在输出端，幸运的是对于大多数应用
来说这种延迟的影响并不显著。流水线ADC的典型工作时序如图2 所示。
2 性能特点
流水线ADC 的主要特色在于优异的动态性能，能够对接近甚至超出奈奎斯特频率的
信号进行过采样或欠采样。用于通信系统可直接对IF 信号进行采样或实现IF 信号的直接
下变换（DDC），用于成像系统可实现高分辨率、高品质的图像采集，优异的频域和时域
图2. 流水线ADC的典型工作时序
新型流水线ADC原理及应用
4/6
特性也能够满足高速数据采集系统的要求。
衡量高速ADC 动态性能的主要指标有：信/噪比（SNR）、信号与噪声、失真总和之
比（SINAD）、总谐波失真（THD）、无杂散动态范围（SFDR）等。其中SNR 指被测信号
的RMS（均方根）值与奈奎斯特频率范围内、不包括直流和谐波成分的所有其它乱真信号
RMS值之比；SINAD 是指被测信号的RMS 值与奈奎斯特频率范围内所有其它成分的RMS
值之比（包括噪声和谐波，但不包括直流成分）；THD 是指谐波分量的RMS 值与输入信号
之比；SFDR 代表被测信号与最高的杂散（谐波）分量之比。表1 给出几种不同规格的流
水线ADC及其主要指标。
表1.几种不同规格流水线ADC的动态性能（动态参数为奈奎斯特频率处的值）
型号分辨率采样速率SNR SINAD THD SFDR
MAX1200
from Maxim
16-bit 1Msps 83dB 81dB -85dB 88dB
MAX1201
from Maxim
14-bit 2.2Msps 81dB 78dB -83dB 78dB
AD9243
from ADI
14-bit 3.0Msps 79dB 77dB -82dB 84dB
ADS852
from BB
14-bit 65Msps 75dBFS* 74dBFS* — 100dBFS*
* 注：dBFS 指相对于满量程的数值
3 应用特点
要发挥流水线ADC 的优异性能，除了选择合适的器件外，还要对其基准电路、信号
输入电路、偏置电路和电源去耦及印制板布线等进行仔细的设计，下面以MAX1200 为例
简要介绍一下设计要点。
3.1 基准及偏置电路
要获得优良的动态性能，要求参考电压必须在一个时钟周期内建立至0.0015%，因此要有
一个精密、快速、低噪声的基准驱动电路。图3 给出了一个用于MAX1200/1201 的基准驱
动及偏置电路，其中RFPF、RFNF 分别为同相、反相基准输入，RFPS 和RFNS 分别为同
相、反相基准的感应引脚，用于对基准输入通路的线路电阻造成的误差提供补偿。为得到
最佳的动态性能，流水线ADC 一般采用全差分结构，信号的共模电压对性能影响很大，
因此还要有一个适当的偏置电路。当共模电压处于基准电压中间时性能最佳，因此图3 中
采用一个电阻分压器和一个缓冲器为MAX1200 提供共模电压（VCM）。
3.2 信号输入电路
流水线ADC 可接受单端或差分输入，但后者可提供最佳的THD 和SFDR。与单端方
式相比，差分输入具有以下优点：
新型流水线ADC原理及应用
5/6
·输入信号动态范围加倍
·对共模噪声不敏感
·有效抑制偶次谐波
·对输入信号调理电路要求较低
通信系统中信号大都以差分方式存
在，但在其它有些应用中只能提供单端信
号，此时可采用图4 所示电路将单端信号转
换为差分信号。单端-差分转换也可采用变
压器方式，如图5 所示。
3.3 电源去耦及布线
流水线ADC 对于电源的去耦处理及印制板布线比较敏感，在设计时应该特别注意。
以下给出有关电源去耦及布线时应该注意的一
些基本规则：
·在PCB 的电源入口处安装大容量去耦电容；
·模拟电源（AVDD）用0.1μF 和1nF 瓷片电容
并联去耦，并尽可能靠近AVDD引脚和地；
·数字电源（DVDD）亦应用0.1μF 电容去耦；
·采用具有单独的接地层和电源层的多层印刷
板，并使高速信号线位于邻近接地层的正上
方；
·模拟地和数字地分开，并使它们只在单点相
连（星形接地）；
·使模拟信号运行于模拟地上
方，数字信号运行于数字地上方；
·使数字信号远离敏感的模拟输入、基准输入感应引脚、共模输入和时钟输入。
参考文献
1 沈兰荪，高速数据采集系统的原理
与应用，人民邮电出版社，1995
2 Maxim Integrated Products Inc. Engineering Journal, volume 33
图3. 基准驱动及偏置电路
图4. 单端-差分信号转换电路
图5. 采用变压器的单端-差分转换电路
新型流水线ADC原理及应用
6/6
3 Maxim Integrated Products, Inc., MAX1200 and MAX1201 product data sheet, 1998
4 Analog Devices, Inc., AD9243 product data sheet, 1998
5 Burr-Brown Corporation, ADS852 product data sheet, 1998