新型流水線實現(xiàn)高速低功耗ADC的原理及方法

1 MAX1200的特點功能

　　新型ADC正在朝著低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展，新型流水線結(jié)構(gòu)正是實現(xiàn)高速低功耗ADC的有效方法。而MAX1200則是采用這一新技術(shù)的高速、高精度、低功耗ADC的代表。

　　MAX1200是一種16位、采樣率可達1Msps的單片集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部的CMOS積分電路采用全差分多級流水線結(jié)構(gòu)，它具有快速的數(shù)字誤差校正和自校準功能，能保證在全采樣率時具有16位的線性度和91dB的非雜散動態(tài)范圍（SFDR），以及良好的信噪比（SNR）和諧波失真（THD）特性。MAX1200主要應(yīng)用于高分辨率圖象系統(tǒng)、掃描儀、數(shù)字通訊、檢測儀表和數(shù)據(jù)接收等領(lǐng)域；其主要技術(shù)特點如下：

　　●采用單電源＋5V供電；

　　●采用±VREF差分輸入，正向參考電壓RFPF由外部＋4．906V電壓基準提供，負向參考電壓RFNF接至模擬地；

　　●在輸入信號為100kHz時，其信噪比為87dB；

　　●在輸入信號為100kHz時的非雜散動態(tài)范圍為91dB；

　　●在1Msps速率和＋5V供電時，其器件功耗為273mW；

　　●具有±0．5LSB的差分非線性誤差；

　　●采用三態(tài)、二進制補碼輸出；

　　●具有快速、可控自校準功能；

　　●采用44腳MQFP封裝，表1為其功能說明。

　　2 工作原理

　　流水線型（pipeline）ADC又稱為子區(qū)式ADC，它由級聯(lián)的若干級電路組成，每一級包括一個采樣／保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。其快速精確的n位轉(zhuǎn)換器是由分為兩段以上的子區(qū)（流水線）來完成。每級電路的采樣／保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率的粗A／D轉(zhuǎn)換器來對輸入進行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）來產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的模擬電平并送至求和電路，然后由求和電路從輸入信號中減掉此模擬電平，并將差值精確放大到某一固定增益后送交下一級電路進行處理。經(jīng)過這樣各級的處理后，再由一個較高精度的K位細A／D轉(zhuǎn)換器對殘余信號進行轉(zhuǎn)換。最后將上述各級粗、細A／D的輸出組合起來以構(gòu)成高精度的n位輸出。應(yīng)當(dāng)注意的是：這些操作必須滿足以下不等式以便糾正重疊錯誤：

　　l m＋k＞n

　　其中，l為級數(shù)，m為各級中ADC的粗分辨率，k為精細ADC的細分辨率，而n則是流水線ADC的總分辨率。圖1所示為MAX1200的4級流水線ADC的原理圖及每級的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中m＝8，l＝4，n＝16。由于采用的開關(guān)電容流水線結(jié)構(gòu)中存在著開關(guān)電容之間的失配問題，所以整個電路的精度由校正和校準邏輯來控制。流水線結(jié)構(gòu)的4個采樣過程在輸入信號被采樣和數(shù)據(jù)輸出到D51－D0之間將引入一個等待時間，也就是流水線延遲。但是在連續(xù)采樣的情況下可以獲得連續(xù)的輸出。圖2所示為其數(shù)據(jù)輸出時序圖。