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          一種比特滑動(dòng)流水模數(shù)轉(zhuǎn)換方法研究

          ——
          作者:深圳大學(xué)信息工程學(xué)院 潘志銘 王百鳴 時(shí)間:2007-01-26 來源:《半導(dǎo)體技術(shù)》 收藏

          1 引言

          隨著現(xiàn)代通信領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn),整機(jī)系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換提出了更高的要求。例如軟件無線電系統(tǒng),其中的關(guān)鍵問題就是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的高速(即高轉(zhuǎn)換速率或高采樣頻率)、高分辨率(即高轉(zhuǎn)換位數(shù))等性能要求的實(shí)現(xiàn) [1]。在高速領(lǐng)域,現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換以并行

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/20864.htm

          轉(zhuǎn)換為主,但是由于其電路規(guī)模隨著分辨率的提高而呈指數(shù)式的增長(zhǎng)(即2n -1,n為轉(zhuǎn)換位數(shù))以及由2n-1 個(gè)比較器的亞穩(wěn)態(tài) 和失配而引起的閃爍碼所造成的輸出不穩(wěn)定,很難實(shí)現(xiàn)8位以上的高分辨率,而且功耗和體積較大,難以滿足實(shí)際使用的要求 [2]。針對(duì)并行模數(shù)轉(zhuǎn)換的局限,本文提出了一種采用分段量化和比特滑動(dòng)技術(shù)的流水并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,較好地結(jié)合了并行式和逐次逼近比較式兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換各自的長(zhǎng)處,在保證高速工作的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)并行式難以實(shí)現(xiàn)的8位以上的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換,而且比現(xiàn)有的流水并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[3,4]更進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少寄存器數(shù)量、降低功耗,更有利于集成化。
          假設(shè)對(duì)任意波形信號(hào)在某一時(shí)刻采樣值 a0進(jìn)行n位的二進(jìn)制量化結(jié)果為: d1d2…dn ,則a0可以表示為:a0=vr(d1+d-2+…+2-(n-1)dn)+δn(1)其中,是a0經(jīng)過 n位二進(jìn)制量化后的量化誤差,d1 是a0與vr相比較的結(jié)果: d1=1 a0vr0a0vr將其適當(dāng)變形后可得:a0=vrd1+vr(2-1+…+2-(n-1)dn)+δn(2)

          將(2)式中的2-1d 2移至等式的左邊,然后等式兩邊同時(shí)乘以2得:重復(fù)上述過程可得: a1=2(a0-vrd1)=vrd2+vr(2-1d3+…+2-(n-2)dn)+22+δn(3)重復(fù)上述過程可得:a1=2(a0-vrd1)=vrd2+vr(2-1d4+…+2-(n-3)dn)+22δnan=2(an-1-vrdn)=2nδn(4)


          其中,di+1 是ai與vr相比較的結(jié)果:di+1=1avr0avr i=0,1,n-1(5)ai+1=2(ai-vrdi+1)(6)現(xiàn)再假設(shè)對(duì)a0進(jìn)行 k位的二進(jìn)制量化(2≤k a0=vr(d1+2-1d2+…+2-(n-1)dk)+δk(7)

          其中,δk是a0經(jīng)過 k位二進(jìn)制量化后的量化誤差,重復(fù)上述過程可得:a1=2(a0-vrd1)=vrd2+vr(2-1d4+…+2-(n-2)dk)+2δkak=2(ak-1-vrdn)=2kδk(8)

          其中,di+1是與 vr相比較的結(jié)果(i=0,1,…, k-1。)。然后再設(shè)對(duì)ak進(jìn)行n -k位的二進(jìn)制量化的結(jié)果為:dk+ 1dk+2…d n,則ak又可以表示為: ak=vr(d=+1+2-1dk+2+…+2-(n-2)dn)+δn


          其中,是經(jīng)過n-k位二進(jìn)制量化后的量化誤差,重復(fù)上述過程可得:

          ak+1=2(ak--vrdk+1)=vrd2+vr(2-1d4+…+2-(n-2)dk)+2δnan=2(an-1-vrdn)=2(n-k) δn

          其中,di+1 是與vr相比較的結(jié)果(i=k ,k+1…,n-1。)。

          由(2)、(7)兩式可得,d 1和d1都是a0 與vr相比較的結(jié)果,因此有:d 1=d1。再由(3)、(8)兩式可得:。如此一直遞推下去,最后可得:d2= d2,,…,dn=d n,,。這樣就證明了對(duì)任意波形信號(hào)電壓a 0進(jìn)行一次n位二進(jìn)制量化和i次分段 ni位二進(jìn)制量化(∑ni=n)是等效的,而且,其模擬余量a n也可以用于擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化比特?cái)?shù)(即提高轉(zhuǎn)換的分辨率)。 因此,完全可以將模擬信號(hào)先經(jīng)過位數(shù)較少的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行粗轉(zhuǎn)換,然后將其模擬余量再送入多位高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換。


          現(xiàn)有流水并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換就是將延遲逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換電路[4]在時(shí)間上的串行工作轉(zhuǎn)化為單個(gè)模塊的流水式串行工作,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行粗轉(zhuǎn)換,然后再采用多位高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)粗轉(zhuǎn)換的模擬余量進(jìn)行高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

          在12位流水并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[5] 中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為:

          t31c=t1c=t3ctca+tsh(9)而與位數(shù) n無關(guān)。其中,t31c是整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間,t1c是8位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間,t3c是流水式電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間, tca是流水式電路的比較單元ca的延遲時(shí)間, tsh是流水式電路的采樣保持單元sh的采樣保持時(shí)間。這種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由于受到tca和tsh 的限制,轉(zhuǎn)換速率難以進(jìn)一步提高。

          為了提高轉(zhuǎn)換速率,就得設(shè)法減少t ca 或tsh,本文提出一種比特滑動(dòng)流水并行模數(shù)轉(zhuǎn)換方法,將 12位流水并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[4]中的采樣保持單元全部省去, 然后在ca1之前加上一個(gè)采樣保持單元sh,并且采樣保持單元sh及各個(gè)比較單元ca 1~can內(nèi)部均采用超高速器件,其轉(zhuǎn)換原理如圖1所示。只要所設(shè)計(jì)的比較單元ca1~can 和采樣保持單元sh滿足以下條件:

          tca<1/n*tsh(10)

          則ca1~can 就能在sh保持時(shí)間內(nèi)快速完成n位逐次比較。因而,轉(zhuǎn)換時(shí)間變?yōu)椋?

          t31c=t1c=t3ctsh(11)

          而在tsh時(shí)間內(nèi)與 tca無關(guān),從而可以提高轉(zhuǎn)換速率,并且節(jié)省了器件、減少了電路規(guī)模和功耗。至于n的大小可根據(jù)轉(zhuǎn)換速度和分辨率的要求、比較單元和采樣保持單元的延遲時(shí)間和器件成本等實(shí)際應(yīng)用因素來設(shè)定,因而稱之為比特滑動(dòng)。

          比特滑動(dòng)流水并行式模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換過程是,首先將輸入的模擬電壓vi經(jīng)過sh采樣保持為 a0,然后經(jīng)過ca1~can 逐級(jí)比較,得到n位數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果,并送鎖存器dl,在時(shí)鐘控制下同時(shí)輸出d1~dn 。最后,輸出模擬余量an到m位并行ad 轉(zhuǎn)換器,繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并在時(shí)鐘控制下輸出m位數(shù)字輸出 dn+1~dn +m,從而完成n+m位高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換。


          采用如上所述原理,設(shè)計(jì)了一個(gè)4位比特滑動(dòng)流水模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,并進(jìn)行了pspice仿真。其仿真電路系統(tǒng)如圖2所示。其中,比較單元ca由比較器max908和運(yùn)算放大器ad8055組成,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3所示, tca達(dá)到8ns;采樣保持單元sh由模擬開關(guān)max4614和運(yùn)算放大器ad8055 組成,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,tsh 達(dá)到100ns,是能克服美國(guó)ad公司采樣保持電路ad585缺陷且性能優(yōu)于ad585的新結(jié)構(gòu)sh電路,新sh電路的捕捉時(shí)間t ac=40ns、孔徑時(shí)間tap=10ns。以上這些都滿足(10)式的要求,因此,根據(jù)(11)式轉(zhuǎn)換時(shí)間 t3c可取100ns。


          4位比特滑動(dòng)流水模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)域仿真結(jié)果如圖5所示。其中,vi 為信號(hào)發(fā)生器輸出的2.5mhz正弦信號(hào);ao 為采樣保持單元sh的輸出,由于采用了新結(jié)構(gòu),速度提高,開關(guān)泄漏減小,保持電壓的跌落變化率減小,精度提高; vo為4 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出。圖5的仿真結(jié)果表明,本文提出的比特滑動(dòng)流水模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作正常,線性化程度較好,只要按照?qǐng)D1所示電路接入m位并行ad轉(zhuǎn)換器( t1c為50ns),就能構(gòu)成4+m位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。



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