流水線ADC的介紹和使用方法詳細(xì)說(shuō)明

　　數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 將模擬世界連接到數(shù)字世界，因此是連接到現(xiàn)實(shí)世界的任何電子系統(tǒng)的基本部件。它們也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。本系列文章探討 ADC 的基礎(chǔ)知識(shí)、各種 ADC 類型及其應(yīng)用。第 1 部分討論了 SAR ADC；第 2 部分討論了三角積分 （Δ?） 轉(zhuǎn)換器；本文為第 3 部分，將討論流水線 ADC 的特性、特征和用法。第 4 部分將說(shuō)明三角積分 ADC 如何生成超低噪聲結(jié)果。 ADC 服務(wù)的一些應(yīng)用包括超高速多載波蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施基站、電信、數(shù)字預(yù)校正觀測(cè)和回程接收器等——所有這些應(yīng)用逐漸都要求 ADC 在每秒千兆次采樣區(qū)間內(nèi)進(jìn)行采樣。該模擬基礎(chǔ)知識(shí)系列的第 1 部分和第 2 部分分別討論了逐次逼近寄存器 （SAR） 和三角積分 （Δ?） ADC，以及如何在相應(yīng)應(yīng)用中使用這些 ADC。不過(guò)，這兩種技術(shù)都無(wú)法應(yīng)對(duì)生成每秒千兆次采樣 （GSPS） 結(jié)果的挑戰(zhàn)。例如，SAR ADC 使用“快照”算法，由于采用串行方法，因此速度限制為不超過(guò)每秒 10 兆次采樣 （MSPS）。當(dāng)使用高分辨率 Δ? ADC 的過(guò)采樣算法時(shí)，將需要額外的時(shí)間來(lái)采集多個(gè)樣本并求平均，從而生成最高 5 兆赫茲 （MHz） 的 24 位輸出數(shù)據(jù)速率。GSPS 速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 SAR ADC 和 Δ? ADC 的采樣頻率范圍。流水線 ADC 就是應(yīng)對(duì)這一超高速 ADC 挑戰(zhàn)的解決方案，能夠在處理多個(gè)采樣的同時(shí)，仍以 GSPS 的速度將數(shù)據(jù)發(fā)送至其輸出端。本文先簡(jiǎn)要比較 Δ?、SAR 和流水線 ADC，接著討論與實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換器輸出相關(guān)的問(wèn)題，以及為什么流水線 ADC 是這類高速應(yīng)用的理想替代品。然后介紹 Texas Instruments 的兩款流水線 ADC，其中一款強(qiáng)調(diào)精度，另一款則強(qiáng)調(diào)高速度，最后介紹如何開(kāi)始使用這些 ADC。

　　什么是流水線 ADC？

　　流水線 ADC 由多個(gè)連續(xù)的級(jí)組成。第一級(jí)采用差分結(jié)構(gòu)，先評(píng)估最高有效位 （MSB） 的值，然后調(diào)節(jié)信號(hào)，并將其傳遞到下一級(jí)進(jìn)行 MSB-1 轉(zhuǎn)換。每個(gè)級(jí)都與其他級(jí)并行執(zhí)行操作。

　　圖 1：流水線拓?fù)渚哂卸鄠€(gè)級(jí)，分別執(zhí)行多位轉(zhuǎn)換器的一個(gè)位的轉(zhuǎn)換，然后調(diào)節(jié)信號(hào)，并將信號(hào)傳遞到下一級(jí)。（圖片來(lái)源： Texas Instruments）

　　在圖 1 中，各級(jí)的功能相似，僅解析一位或兩位。每個(gè)級(jí)都有采樣保持、低分辨率閃速 ADC 和信號(hào)調(diào)節(jié)功能。第一級(jí)接收樣本，并立即產(chǎn)生 MSB 決策。MSB 數(shù)字值進(jìn)入第一個(gè)鎖存器（鎖存器 1）。如果 MSB 決策為 1，則該級(jí)將從樣本中減去 MSB 值的電荷。然后，流水線轉(zhuǎn)換器對(duì)剩余電荷應(yīng)用 2 倍的增益倍數(shù)。當(dāng)一個(gè)級(jí)完成其操作時(shí)，便將模擬差異傳遞到后續(xù)級(jí)。若設(shè)計(jì)采用 2 倍增益倍數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于，第 1 級(jí)至第 n 級(jí)基本上都是相同的電路。級(jí)數(shù)通常與 ADC 位數(shù)相匹配。最終轉(zhuǎn)換輸出會(huì)在輸出鎖存器中將每個(gè)級(jí)的數(shù)字結(jié)果組合起來(lái)。該轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)造成若干時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)延時(shí)。