ADC参考电压电路进行版图设计 第4页

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为了改进两步式结构的不足，图2.3是一种改进的两步式结构。与图2.2的结构相比，它在余量输出和低位子模数转换器之间增加一个采样/保持电路在同步时钟控制下工作。在第一个周期，输入采样/保持电路（SHI）对模拟输入信号采样，并把采样的值保持到余量计算完成，完成高位数据的量化；在第二周期，期间保持电路（SH2）保持余量值，同时低位A/D转换器进行转换的同时。
显然，由于增加了级间采样/保持电路，在低位A/D转换的同时，输入采样电路可以进行下一次采样。这样，高位和低位快闪被级间采样/保持电路分成了两级，分别独立地进行高位和低位转换，因此使速度比改进提高了近一倍。由于对高位和低位的转换相差一个周期，为了保证数据同步，要在高位数据后加一个移位寄存器对其延迟。这样，在模拟输入信号和数字输出信号之间会有2个周期的延迟，这个延迟被称为转换器的“latency”图2.3
上面的这种操作方式就是所谓的流水线操作方式，改进的两步式模数转换器的结构其实就是流水线模数转换器的雏形。它克服了两步快闪结构上的缺陷，充分地利用了硬件资源，是速度和 精度达到了几乎完美的优化。
3.2.3流水线模数转换器
1987年，第一个单片集成的CMOS流水线A/D转换器被设计成功。此后的十几年，这种结构获得了不断改进，成为高速，高精度A/D转换器的主流产品。毕业论文http://www.751com.cn
流水线行ADC主要是针对全并行ADC的上诉缺点，在改进两步式模数转换器的基础上面，把模数变换分成了几个子变换部分来实现的。如图2.4所示，流水线结构模式周期有m级流水线来构成，每一级都包含了采样保持电路。低分辨率的子模数转换器，子模数转换器电路，余量和增益电路（最后一部分没有DAC）。
电路工作时，前一级采样保持电路采集样本信号一路送入与其配套的子模数转换器变为k位二进制数字信号，另一路送入减法器与相应k位的子模数转换电路输出的信号相减，其结果经过放大后送入下一级采样保持电路，接着实现与前一级相同的运算与变换过程。最后，由数字误差校正电路对每部分子模数转换器输出的数字信号统一进行校正，并最终输出n位二进制代码信号。由于每级都有内部的采样保持电路，所以它们能够同时进行数据的转换，这就保证了流水线模数转换器每个时钟周期产生一次转换输出。
从整个转换过程来看，流水线工作方式可以看做是串行的，但就每一步转换来看，是并行工作的。因而总的最大转换速率取决于单级电路的最大速度，而且，总的转换速率与流水线的级数没有关系。总之，流水线模数转换器所完成的功能就是一个不断地求商取余数，并把余数放大相应的倍数，然后重复相同的操作。直到达到最终所需要的结果l流水线结构的最大优势在于速度，精度，功耗等方面的很好的平衡，而且可以工作在更低的电压条件下。两步式转换器虽然达到了降低硬件消耗的目的，但是它所需要的比较器数目仍然和转换器的分辨率成指数关系。而且在第二个模数转换器中需要更高精度的比较器。与两步式主要的不同之处在于：（1）流水线结构每一级均有采样保持电路，所以各级可以同步处理，提高数据输出的效率，这也正是流水线的概念。（2）级间放大器的增益大于1，后级的非线性效应会被前级的增益所衰减，降低后级电路的要求以进一步优化功耗和面积。（3）数字校正算法和亢余校正的技术，可以把电路非理想因素对线性的影响减到最小，放宽对比较器失调的要求，可以采用动态比较器减小功耗。
基于以上的这些特点，流水线行模数转换在保持较高转换速率的同时，其他路规模和功耗与分辨率接近线性关系而不是随分辨率提高大幅指数增加。图2.4
3.2.4流水线模数转换器的体系结构
流水线结构的基本思想就是把总体上要求的转换精度平均分配到每一级，每一级的转换结果合并在一起可以得到最终的转换结果。流水线结构的转化率几乎与级数无关。
每一级可以有不同的位数，最简单的1位，每一级只要1个比较器，缺点是没有校准位：对于7位以上精度的转换器，必须要有校准功能。每一级的亢余放大器放大输入信号与D/A转换器的输出信号的差值电压是整个电路的主要颈瓶：随着每一级位数的增加，放大器增益G要求增大，同时，带宽也将按同比例大幅减小。因此，如何确定流水线的每级转换位数是一个重要的问题，流水线结构的模数转换器每一级所完成的转换精度依赖于具体应用中要求的转换速度和转换精度。因为它决定了为达到所要求的精度系统所需要的级数和级间增益倍数。这些又决定了体现如何在面积和转换速度间取舍。毕业论文http://www.751com.cn
研究单级分辨率与线性的关系，可以得出结论：从线性度的角度出发，希望大的单级分辨率，但若A/D转换器采用了亢余位和数字校正，且级间增益至少为2，则其对线性度的作用不大。一般来说，一些低速高精度的模数转换器往往每级的转换精度较高，比如说每级4比特，而一些对速度要求较高的模数转换器往往每级的转换精度较低，最低的就是2比特。对于N位的转换精度，流水线每一级内部需要一个放大倍数2  的放大器来放大余数。这一放大器的带宽决定了整个模数转换器信号通道的带宽。

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