自20世纪70年代中期以来，单片数字转换器(adc)采用了积分、逐次逼近和闪存技术。在20世纪80年代，delta-sigma设计进一步扩大了选择范围。最近，出现了一类新的ADC，其架构称为“流水线”。现在由几家制造商提供，流水线adc提供了速度，分辨率，低功耗和小模具尺寸(相当于低成本)的有吸引力的组合。然而，这种新架构的特性和好处还没有被广泛理解。

包括maxim在内的几家制造商最近的adc的成功表明，流水线架构(或子转换器)adc是最有效和最强大的数据转换器之一。它们提供高速，高分辨率和卓越的性能，以及适度的功耗和小的芯片尺寸。在合理的设计范围内，它们还提供出色的动态性能。

本文比较了五种最流行的A/D转换技术的主要特点。还包括对管道架构的操作、功能和优点的深入回顾。最后给出了CCD成像系统中流水线ADC的设计实例。

直接变频adc

在提到的五种技术中，最快的一种是直接转换，更广为人知的是“flash”转换。基于这种架构的adc速度非常快，可以直接执行多比特转换，但它们需要密集的设计来管理所需的大量比较器和参考电压。如图所示图1，具有N位分辨率的转换器具有并联的2(N)-1比较器，参考电压由电阻网络设置，间隔为V(FS)/2(N)(~1最低有效位，或LSB)。

图1所示。基于直接转换架构(更广为人知的是闪存转换器)的adc包括2(N)-1比较器组和一个参考电阻分压器网络。

输入电压的变化通常会引起多个比较器输出的状态变化。这些输出变化组合在一个解码器逻辑单元中，该单元从转换器产生并行的n位输出。虽然闪存转换器是目前最快的类型(像未来的MAX104这样的产品提供1GHz的采样率)，但它们的分辨率受到可用的芯片尺寸和过多的输入电容和大量比较器造成的功耗的限制。它们的重复结构要求并联比较器部分之间的精确匹配，因为任何不匹配都可能导致静态误差，例如放大的输入偏置电压(或电流)。

闪光adc也容易产生spc和不稳定的输出，称为“闪光码”。闪光代码有两个主要来源:

• 2(N)-1比较器的亚稳态

• Thermometer-code泡沫

不匹配的比较器延迟会将逻辑上的1变为0(反之亦然)，导致在正常的温度计代码中出现“气泡”。由于ADC的编码器单元无法检测到此错误，因此它生成一个无序代码，该代码也作为输出“火花”出现。

闪存ADC的另一个问题是其芯片尺寸，对于8位闪存转换器来说，其芯片尺寸几乎是等效流水线ADC的7倍。与流水线设计相比，flash变换器的输入电容可提高6倍，功耗可提高2倍。

逐次逼近adc

基于逐次逼近寄存器(SAR)的转换技术，也称为位称重转换，使用比较器对施加的输入电压和n位数字转换器(DAC)的输出进行称重。使用DAC输出作为参考，该过程将最终结果作为N个加权步骤的总和，其中每个步骤是一个单比特转换。

第一步将DAC的最高有效位(MSB)存储在SAR中，下一步将该值(MSB)与输入进行比较。比较器输出(高或低)在进行下一次比较之前作为校正输入DAC (图2）. 由逻辑控制电路计时，SAR继续这个称重和移位过程，直到它完成LSB步骤，产生一个DAC输出在输入电压±(1/2)LSB范围内。当每个位确定后，它作为ADC输出的一部分锁存到SAR中。

图2。典型的逐次逼近adc由单个DAC、比较器、逐次逼近寄存器(SAR)以及时钟和逻辑控制组成。

SAR转换器由一个比较器、一个DAC、一个SAR和一个逻辑控制单元组成。它们的采样率为1Msps，电源电流低，生产成本最低，但它们的设计是密集和耗时的。与流水线转换结构相比，SAR adc提供更低的输入带宽和采样率，没有延迟问题。

集成adc

集成adc，也称为双斜率或多斜率数据转换器，是最流行的转换器类型之一。经典的双斜率转换器有两个主要部分:一个电路，用于获取和数字化输入，产生时域间隔或脉冲序列;以及将结果转换为数字输出值的计数器(图3）.

图3。对于缓慢变化的信号，最慢但最简单的转换技术之一是使用一个积分器，该积分器使用输入电压充电，并以相反极性的参考电压放电。

双斜率变换器采用具有开关输入的积分器、比较器和计数器单元。输入电压在固定的时间间隔(T(CHARGE))内集成，通常对应于内部计数器单元的最大计数(图4）. 在此间隔结束时，设备重置其计数器并对积分器输入应用相反极性(负)参考。随着这个相反极性信号的应用，积分器“分解”，直到它的输出达到零，停止计数器并重置积分器。

图4。这些电压波形说明了双斜率积分ADC的时序关系。

积分器电容器在第一次积分/充电间隔(T(Charge)/|V(IN)|)期间获得的电荷必须等于在第二次分解/放电间隔(T(DISCHARGE)/|V(REF)|)期间损失的电荷。然后二进制输出与这些时间间隔相对于完整计数的比率成正比。T(放电)在第二个间隔的末尾对应于ADC的输出代码。V(IN)、V(REF)、T(CHARGE)、T(DISCHARGE)的关系如下:

该系统可以通过在转换器内启动校准周期来消除转换期间的任何偏移。与流水线adc相比，集成型是极慢的器件，输入带宽低。但是，它们具有抑制高频噪声和固定低频(如50Hz或60Hz)的能力，这使得它们在嘈杂的工业环境和不需要高更新速率的应用中非常有用(即，数字化应变片和热电偶的输出)。

Sigma-delta (西格马-得尔塔) adc

Sigma-delta (西格马-得尔塔)转换器的结构相对简单。也称为过采样转换器，它们由西格马-得尔塔调制器和数字抽取滤波器(图5）. 该调制器的结构类似于双斜率ADC，包括一个积分器和一个带有反馈回路的比较器，该反馈回路包含一个1位DAC。这个内部DAC只是一个将比较器输入连接到正或负参考电压的开关。西格马-得尔塔 ADC还包括一个时钟单元，为调制器和数字滤波器提供适当的时序。

图5。sigma-delta转换器的两个主要组成部分是调制器和数字抽取滤波器。

应用于西格马-得尔塔 ADC输入端的低带宽信号以非常低的(1位)分辨率进行量化，但采样频率高达2MHz或更高。与数字后滤波相结合，这种过采样将采样率降低到约8kHz，并将ADC的分辨率(即动态范围)提高到16位。虽然比流水线adc慢，并且受限于较低的输入带宽，西格马-得尔塔原理在数据转换器市场上已经发展出强大的地位。它有三大优势:

• 低成本、高性能转换

• 数字滤波器包括与转换电路

• dsp兼容的系统集成

什么是“流水线”ADC?

由于流水线adc提供了尺寸、速度、分辨率、功耗和设计工作量的最佳平衡，因此它们对主要数据转换器制造商及其设计人员越来越有吸引力。流水线ADC也被称为子量器，由许多连续的级组成，每个级包含一个跟踪/保持(T/H)，一个低分辨率ADC和DAC，以及一个包含级间放大器以提供增益的求和电路。

管道adc的目标应用包括通信系统，其中总谐波失真(THD)、无杂散动态范围(SFDR)和其他频域规格非常重要;基于ccd的成像系统，具有良好的噪声、带宽和快速瞬态响应的时域规格，保证了快速解决;而时域和频域特性都很重要的数据采集系统(即低杂散和高输入带宽)也很重要。

快速和准确的n位转换可以使用至少两个或更多的子置换步骤(也称为流水线)来完成。首先执行一个粗略的m位A/D转换(图6）. 然后，使用至少具有n位精度的DAC，将结果转换回2(M)电平之一，并与输入进行比较。最后，用“精细”k位闪存转换器转换差值，并将两个(或更多)输出级组合起来。

图6。这张简化的功能图显示了MAX1200系列14位5级流水线adc的内部纠错和校准逻辑。

为了校正重叠误差，需要满足以下不等式:

L × M+K >N

其中L为级数(取决于制造商)，M为ADC/MDAC电路中后续级的粗分辨率，K为最终ADC级的精细分辨率，N为流水线ADC的整体分辨率。大多数流水线adc都包括在两级之间工作的数字纠错电路。

一些流水线量化器具有校准单元，可以补偿不需要的副作用，例如倍增DAC中的温度漂移或电容失配。这种数字校准通常对管道的几个(不是全部)连续级执行，使用两个相邻的代码，在MDAC输出处导致等于V(REF)的转换。与这一理想步骤的任何偏差都是可以测量的误差。当所有的错误都被随后的转换器级获取和累积时，它们被存储在板载存储器中。然后在正常运行期间从RAM中获取结果，以补偿管道MDAC阶段的增益和电容不匹配。

例如，Maxim的5级管道adc系列(MAX1200, MAX1201和MAX1205)的校准过程从管道的输出到其输入，如上一节所述。只有前三个阶段可以纠正错误。首先校正第三阶段(以提高线性度)，然后校正第二阶段。这两个经过误差校正的级然后可以对第一级进行校准。

新的流水线架构简化了ADC设计，并提供了其他优势:

• 额外的比特每级优化校正重叠错误。

• 每个阶段的单独跟踪和保持(T/H)放大器释放每个先前的T/H来处理 下一个传入的样品，从而在管道的不同阶段同时转换多个样品。

• 更低的功耗。

• 高速adc (f(CONV) >100ns(典型)需要更少的成本和更少的设计时间和精力。

• 更少的比较器变得亚稳态，实际上消除了火花代码和温度计气泡。

但管道adc也带来了困难:

• 复杂的参考电路和偏置方案。

• 管道延迟，由输入信号必须通过的级数引起。

• 关键锁存定时，需要所有输出的同步。

• 对导致增益、偏置和其他参数非线性的工艺缺陷的敏感性。

• 与其他架构相比，对电路板布局更敏感。

适当设计布局的多层板可以克服这些缺点。同样重要的是外部组件的选择和管道adc的正确选择-最好是包括级之间增益和误差不匹配(如果有的话)的板载校准。

设计示例:CCD成像应用中的流水线adc

成像应用正在激增，年市场增长率超过35%。产品包括摄像机、便携式摄像机、数码相机、专业视频、文档扫描仪和安全系统。这些应用采用两种主要形式的成像传感器:

• CMOS成像元件

• 电荷耦合器件(ccd)

基于cmos的元件消除了与ccd相关的一些限制，例如噪声和温度系数的考虑。它们的像素可以一个一个地读取，但这个频率被限制在每秒30帧，并且输出需要特殊的设计密集型像素处理。

ccd在今天的大多数应用中都使用，因为它们提供了最佳的灵敏度和动态范围。CCD分辨率范围从1x256到512x512像素甚至更高。为了捕获入射光子，每个像素由一个“电荷桶”组成(RGB CCD中有三个)。

CCD是成像系统的核心元件。所有其他电路只是支持实现最大性能所需的严格和特定信号调理。典型的CCD输出信号电平非常低，并且受到各种噪声源的不利影响。设计师必须意识到这些特征以及有效处理它们所必需的特殊技术。

在典型的CCD系统中(图7)， CCD输出是像素“电荷”的串行流，以高速率从典型的CCD格式转换到阶跃直流电压电平之一。该脉冲序列在10V或更高的直流偏置(或失调电压)上运行。出于这个原因，CCD输出电容耦合到低压下游信号处理元件。在预放大和处理之前，需要一个钳位或直流恢复电路来维持对应于零像素电荷的“暗基线”水平。

图7。这张简化的框图显示了典型CCD系统的主要部件。

在CCD应用中，噪声是影响灵敏度和动态范围的主要因素，必须仔细控制。噪声源包括:

• 由CCD输出中FET开关电阻(R(ON))引起的kT/C噪声

• 电路噪声、1/f噪声和射散噪声

• 量化噪声(q/√12)

• 60Hz交流线路干扰

• 电路中电阻和导体产生的白噪声或热噪声:e(WN) =√4kTBR(OUT)，其中

  k = 1.38054 10(-23)(玻尔兹曼常数)

  T =温度，单位为开尔文(298°K = +25°C)

  B =噪声带(Hz)

  R(OUT) = CCD输出级电阻
  (r (out) = r (l) + r (on))

  其中RL为负载电阻，R(ON)表示FET的导通电阻。

处理CCD输出

CCD输出不是一个连续的周期波形，而是类似于一系列不同幅度或直流电平的阶跃(图8）. 在每个周期中，像素信息包含在波形的下部。对于包括ADC在内的信号处理链中的电路元件，该波形的特性决定了主要关注的是时域规格而不是频域规格。在CCD元件之后，前置放大器提高信号电平，箝位恢复直流参考电平(黑色)。

图8。CCD输出信号的每个周期都包含波形下部的像素信息。

如前所述，主导的kT/C噪声在限制CCD成像系统的有效分辨率方面是最显著的。为了减少这种噪声，信号路径应该包括一个相关双采样(CDS)单元。此名称取自用于去除不需要的噪声成分的双重采样方法:在图3所示的复位周期结束时采样(S1)，在信号的信息部分期间采样(S2)。这两个样品的不同之处在于一个电压，它表示电荷信号减去噪声。(对CDS单元的进一步讨论超出了本文的范围。)

CDS元件之后可以是缓冲/驱动级，它为量化器(ADC)级提供正确的满量程和共模输入。ADC是信号处理链中性能关键的组件。它必须提供高分辨率、良好的线性度、低噪声、低漂移和低偏移。所有这些性能都是必要的，以确保图像质量，色彩纯度，并免于失真随着时间的推移。

科学和医学成像通常需要更高的分辨率和动态范围。为了建立扫描对象的准确和详细的图像，这些应用程序使用更大的阵列，具有更多的像素和更长的帧更新时间。它们要求adc具有良好的线性度、低偏移和较低的速度但较高的分辨率，例如Maxim的MAX1201/MAX1205。这些14位2.2Msps/1.1Msps单片adc满足必要的线性和精度规格。其极低的DNL误差(±0.3LSB)和自校准需求为高要求的高分辨率成像应用提供了昂贵的混合动力车的经济高效替代方案。表1介绍Maxim最新一代流水线adc。

表1。Maxim最新一代流水线adc的典型性能

总之,表2概述了目前可用的主要ADC类型。要订购Maxim产品样品以供您评估，请使用本期的商业回复卡。

表2。主要的数字转换技术