ADC入门 基础知识.ppt

目录 1、ADC是什么 2、背景、发展 3、现状 4、发展方向 5、ADC的基本框架 6、Nyquist采样定理 7、ADC的输入输出 8、ADC的性能参数 9、CMOS ADC 的结构 10、pipeline ADC 11、集成电路的设计方法 ADC是什么 ADC：模拟——数字转换器 模拟——数字转换器和数字——模拟转换器是模拟系统和数字系统之间的桥梁，是现代微电子数字通讯系统中非常重要的模块。 背景、发展 随着CMOS制作工艺的迅猛发展，越来越多的信号被移到数字领域来处理，从而达到降低成本，降低功耗，提高速度的目的。 这就使我们迫切需要一种低功耗、低电压而且能够用标准深亚微米技术实现的ADC。 现状 国内在高性能芯片的研究和设计方面还比较落后,这就造成了各种高性能芯片的巨大需求和国内芯片产业落后之间的巨大矛盾。而且,由于一些高端芯片产品受到国外的进口限制,这对我国国防现代化发展以及民用电子通信工业的发展非常不利。这就迫使我们必须自己研究设计出高速、高精度的模数转换器。 发展方向 在未来,模数转换芯片的主要发展方向是 1、高分辨率 2、高转换速度 3、低功耗 4、单电源低电压 5、单片化 高分辨率 高分辨率：目前分辨率最高可以达到 31 bit（TI公司的ADS1282）10bit及以上分辨率的A/D转换电路，它所达到的精度超过了现在工艺能实现的最大电容匹配，所以必须采用一定的校正措施。校正技术分为： 高转换速度 A/D转换电路的速度主要是受运放建立时间和比较器响应速度的影响。因此必须优化单级电路的建立特性，提高运放的增益可以保证系统精度的同时确保运放的大宽带、提高运放的压摆率设计、压摆区和线性建立区的合理分割等。目前国际上已经产品化的 ADC 采样速率最高可以达到 2.2GSPs（Maxiam公司的 MAX109） 矛盾与解决 在集成电路设计中，速度和精度两者相互对立：如果追求高速度，就必须降低精度，比如 Maxiam 公司的MAX109，采样速率达到 2.2 GSPs，但分辨率只有 8bit；如果追求高精度，就必须降低速度，如 TI 公司的 ADS1282，分辨率达到 31 bit，但采样速率只有 4KSPs；然而最常见的情况是根据不同的应用在两者之间进行折中。 我国从 70 年代开始研制 ADC，至今已经有 8 bit、10 bit、12 bit、14 bit 的 ADC产品，但产品性能还远远达不到高端应用的要求，与国外水平相差甚远；高端 ADC还处于高校和研究所的研究开发阶段。 低功耗、低电压、单片化 单元电路的一些优化设计也可以降低功耗，如动态偏置、开关电容动态共模反馈以及动态比较器等。低电压是现在应用发展的一个趋势，主要有运放的rail-to-rail设计、模拟开关的电压自举等方法。 ADC的基本框架 Nyquist 采样定理 Nyquist 采样定理: 其中， 是输入信号的频率 是采样频率 被采样的信号只有在满足采样定理的情况下,才能够被重构还原。 ADC的输入输出 下图是3位ADC的理想输入输出曲线。 ADC的性能参数 ADC 的性能参数主要有： 分辨率（Resolution） 微分非线性（Differential Nonlinearity简称 DNL） 积分非线性（Integral Nonlinearity 简称 INL） 失调误差 增益误差 信噪比（Signal to Noise Ratio） 无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range 简称 SFDR） 总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD） 转换速度 分辨率（Resolution） ADC的分辨率是指转换器所能分辨的最小量化信号的能力。对于一个二进制N位分辨率的ADC,假设满摆幅的输入范围为 ,所能分辨的最小电平则为 同时,分辨率通常随着噪声和非线性的增加而下降,因此,描述ADC真正的分辨率还应包括噪声和非线性。 微分非线性误差（DNL） 积分非线性误差（INL） 失调误差 失调误差：零输入时Ａ／Ｄ转换器输入－输出特性曲线的偏移。 增益误差 增益误差：满量程输出时，实际的模拟输入信号和理想的模拟输入信号间的差值。增益误差使传输特性曲线绕坐标原点相对于理想特性曲线发生了一定角度的偏移。 信噪比 信噪比指ＡＤＣ输出信号功耗和噪声功耗间的比值，用ｄＢ表示。 其中，信号是指频谱图中基波分量的有效值，噪声＝总能量－信号能量和谐波的能量。理想的ＡＤＣ噪声主要来自量化噪声。对于正弦输入信号，信噪比的理论最大值为：