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什么是高速ADC,流水線ADC結構剖析

來源: 21ic
2020-11-12
類別:基礎知識
eye 37
文章創(chuàng)建人 拍明

原標題:什么是高速ADC,流水線ADC結構剖析

高速ADC(模數轉換器)是指能夠以極高采樣率將模擬信號轉換為數字信號的電路,其采樣率通常達到每秒數百萬次(MSPS)甚至數十億次采樣(GSPS)。高速ADC廣泛應用于通信系統(tǒng)(如5G/6G基站、衛(wèi)星通信)、高速數據采集系統(tǒng)、雷達信號處理、醫(yī)療成像設備等領域,是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中實現(xiàn)模擬信號數字化的核心器件。


流水線ADC結構剖析

流水線ADC(Pipeline ADC)是高速ADC的一種主流架構,通過多級并行處理實現(xiàn)高速高精度轉換,兼具速度與分辨率的優(yōu)勢。其核心結構和工作原理如下:

1. 基本結構

流水線ADC由多級子級(Stage)級聯(lián)而成,每級包含以下模塊:

  • 采樣保持電路(S/H):對輸入信號進行采樣并保持,供后續(xù)處理。

  • 子模數轉換器(Sub-ADC):將采樣信號量化為低精度數字碼(如1.5位或2位)。

  • 子數模轉換器(Sub-DAC):將子ADC的數字碼轉換回模擬信號。

  • 減法器:從采樣信號中減去Sub-DAC的輸出,得到殘差信號。

  • 增益放大器(MDAC):放大殘差信號,使其幅度恢復到滿量程范圍,供下一級處理。

2. 工作原理

流水線ADC的工作過程分為多個時鐘周期,各級子級并行處理:

  • 第一級:對輸入信號進行采樣,Sub-ADC生成高位數字碼,同時輸出殘差信號。

  • 后續(xù)級:逐級處理前一級的殘差信號,生成低位數字碼。

  • 數字校正:通過冗余設計和數字邏輯校正各級誤差,合成完整的高精度數字輸出。

3. 時序控制

流水線ADC采用兩相不交疊時鐘控制:

  • 采樣相:各級S/H電路對輸入信號進行采樣。

  • 放大相:各級MDAC放大殘差信號,Sub-ADC進行量化。

各級子級在時鐘控制下交替工作,確保數據連續(xù)輸出。

4. 關鍵技術

  • 冗余設計:每級輸出多位數字碼(如1.5位),通過數字校正消除誤差。

  • 數字校正算法:采用后臺校正或前臺校正技術,補償各級的非線性、增益誤差等。

  • 低功耗設計:通過動態(tài)元件匹配(DEM)、開關電容電路優(yōu)化等技術降低功耗。


流水線ADC的優(yōu)缺點

優(yōu)點

  1. 高速高精度:通過多級并行處理,實現(xiàn)高采樣率(如數百MSPS至GSPS)和高分辨率(如12位至16位)。

  2. 功耗效率:相比全并行ADC,流水線ADC的功耗隨分辨率線性增長,適合高分辨率應用。

  3. 抗噪聲能力強:級間增益放大器衰減后級噪聲,結合冗余設計顯著降低電路非理想因素對線性的影響。

缺點

  1. 延遲較大:輸入信號需經過多級處理,導致總延遲較高,不適用于對延遲敏感的應用。

  2. 電路復雜度高:需要精確的基準電路、偏置結構和時序控制,設計難度大。

  3. 工藝敏感性強:對增益非線性、失調等工藝缺陷敏感,需通過校準技術補償。

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應用場景

流水線ADC廣泛應用于以下領域:

  • 通信系統(tǒng):高速數據采集、無線通信基站。

  • 醫(yī)療電子:超聲成像、醫(yī)療儀器。

  • 工業(yè)控制:高精度傳感器接口。

  • 航空航天:雷達信號處理、衛(wèi)星通信。


典型結構示例

以12位流水線ADC為例,可能采用3級結構:

  • 第一級:4位Sub-ADC + 8位MDAC

  • 第二級:4位Sub-ADC + 8位MDAC

  • 第三級:4位Sub-ADC(無MDAC,直接輸出)

通過數字校正將三級輸出合成為12位數字碼。


總結

流水線ADC通過多級流水線并行處理實現(xiàn)了高速高精度轉換,適用于對速度和分辨率均有較高要求的場景。其設計需在速度、功耗、面積和復雜性之間進行權衡,并通過冗余設計和數字校正技術提升性能。


責任編輯:David

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