AD1672單片12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理及其應(yīng)用

一、 概述

AD1672是美國adi公司最近推向市場的一種新型單片式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。片上含有4個(gè)高性能采樣保持放大器(sha)和4個(gè)閃爍式adc及電壓基準(zhǔn)。它采用4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，輸出帶有誤差修正邏輯電路，并采用bicmos工藝，從而保證在3msps采樣速度下12位精度，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)不失碼。由于ad1672輸入sha具有快速建立特性，所以它既適合從負(fù)滿度到正滿度電壓逐次切換多通道系統(tǒng)，又適合輸入頻率高達(dá)奈奎斯特速率的單通道采樣。

ad1672具有寬頻帶輸入、單電源供電、低功耗和低價(jià)格等特點(diǎn)，非常適用于通信、圖象處理和醫(yī)療設(shè)備新電路設(shè)計(jì)。 ad1672采用28腳plcc封裝，工作溫度范圍為-40～+85°c，其引腳排列見圖1，引腳功能說明見表1。

圖1 ad1672引腳排列

　　類型：ai―模擬輸入;di―數(shù)字輸入;p―電源; ao―模擬輸出;do―數(shù)字輸出。

　　表1 ad1672引腳功能說明

二、工作原理

ad1672采用4級(jí)流水線閃爍式(flash),又稱并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖2 ad1672 結(jié)構(gòu)框圖

　　4級(jí)閃爍式adc的分辨率分別為4，4，3和4位，其中每兩級(jí)之間重疊1位用來誤差修正。用低噪聲sha采集滿度值，單端輸入在167ns內(nèi)具有12位精度。ad1672的工作過程，首先第一級(jí)閃爍式adc對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行4位近似轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用第1級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將這4位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的精確模擬量。再從第1級(jí)sha輸出的模擬量減去第1級(jí)dac產(chǎn)生的模擬量得到一個(gè)殘差。然后，第2級(jí)sha對(duì)這個(gè)殘差進(jìn)行采樣和保持，第2級(jí)adc對(duì)此進(jìn)行4位近似轉(zhuǎn)換，同樣利用第2個(gè)dac得到第2級(jí)殘差。一但第2級(jí)sha進(jìn)入保持方式，第1級(jí)sha便返回到采樣方式，以采集新的輸入信號(hào)。第3級(jí)轉(zhuǎn)換與第1級(jí)和第2級(jí)類似，也由一個(gè)sha，一個(gè)adc和一個(gè)dac構(gòu)成，不同之處分辨率不是4位而是3位。第4級(jí)，即最后一級(jí)轉(zhuǎn)換僅由1個(gè)4位閃爍式adc構(gòu)成，完成最終殘差的模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后在修正邏輯單元，累計(jì)4級(jí)閃爍式adc構(gòu)成15位輸出，但由于在累計(jì)過程中采用了適當(dāng)?shù)恼`差修正方法，使最終輸出字為12位。數(shù)字輸出連同超量程指示(otr)都被鎖存到輸出緩沖器以驅(qū)動(dòng)輸出引腳。

　　由于ad1672結(jié)構(gòu)的每一級(jí)都有一個(gè)附加的sha，所以允許流水線轉(zhuǎn)換。實(shí)際上這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由多級(jí)輸入，同時(shí)轉(zhuǎn)換，通過串行鏈方式完成四級(jí)轉(zhuǎn)換過程。這表明，雖然這種轉(zhuǎn)換器在每個(gè)時(shí)鐘周期都具有捕獲新輸入信號(hào)的能力，但要完成全部轉(zhuǎn)換并且在輸出端呈現(xiàn)數(shù)字量，實(shí)際上只用2 1/2個(gè)時(shí)鐘周期。這種“流水線延遲(pipeline delay)”在許多應(yīng)用中它并不引人注意，只是在有些情況下才考慮這個(gè)問題。例如，在高速反饋環(huán)路要求使用adc的一些場合，只有提供一個(gè)理想的數(shù)字輸出結(jié)果，才能對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償(例如，視頻應(yīng)用中的失調(diào)校準(zhǔn)或零點(diǎn)恢復(fù))。在這種情況下，在計(jì)算環(huán)路穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮通過流水線引起的時(shí)鐘延時(shí)。另外，由于轉(zhuǎn)換器同時(shí)在3個(gè)轉(zhuǎn)換器上工作，所以在轉(zhuǎn)換過程的主要交接處(例如，電源或基準(zhǔn)引起的大的尖峰毛刺)會(huì)使3個(gè)采樣數(shù)據(jù)變壞。最后應(yīng)當(dāng)說明，ad1672存在一個(gè)最小的時(shí)鐘速率，低于這個(gè)最小值，sha的頂降率會(huì)使流水線信號(hào)變壞，這個(gè)最小時(shí)鐘速率在25°c 時(shí)為20khz。通常時(shí)鐘速率選取3mhz。

　　ad1672的內(nèi)部定時(shí)控制電路利用了時(shí)鐘的上升沿和下降沿。ad1672在時(shí)鐘輸入的上升沿對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣。當(dāng)時(shí)鐘處于低電平期間(處于時(shí)鐘下降沿和上升沿之間)，輸入sha處于采樣方式;當(dāng)時(shí)鐘處于高電平期間，則sha處于保持方式。由于這種器件利用時(shí)鐘上升沿和下降沿定時(shí)，所以僅在時(shí)鐘上升沿，抖動(dòng)才很明顯。

　　三、應(yīng)用

　　1.模擬輸入

　　ad1672等效模擬輸入電路如圖3所示，其中輸入sha及其輔助電阻網(wǎng)絡(luò)很容易接成單極性(0～2.5v或0～5.0v)或雙極性(-2.5～+2.5v)，見圖4。ad1672標(biāo)稱輸入電阻rin，對(duì)于 2.5 v輸入范圍為2kω，對(duì)于5.0v輸入范圍為4kω。

圖3 等效模擬輸入電路