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

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) 。在高速領(lǐng)域，現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換以并行轉(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（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 。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)換電路更進(jìn)一步簡化結(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 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?/p>

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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