高速模數轉換技術及其發展

謝 莉

（湖南人文科技學院物理與信息工程系 湖南 婁底 417000）

0 引言

隨著數字技術的進一步發展，使得模數轉換技術朝著高速、低功耗、高分辨率的方向發展，特別是在通信、高速數據采集系統、雷達等應用領域，對ADC的轉換速度要求越來越高。

1 高速ADC的主要結構

1.1 并行結構

并行結構的ADC有全并行、內插式并行結構及兩步式并行結構等。

圖1 全并行ADC結構框圖

全并行ADC的結構如圖1所示，阻值相同的電阻R對Vref分壓，為2n-1(n為ADC的分辨率)比較器提供參考電壓，這2n-1參考電壓分別與要輸入信號Vin比較，產生2n-1個高低電平，也就是溫度計碼，解碼電路對輸入的溫度計碼進行解碼得到n位二進制數。

全并行ADC的優點是轉換速度高。由于全并行ADC只需一次比較就能將模擬信號轉換成數字信號，因此是所有ADC中轉換速度最快的，比較器的轉換時間決定了其速度。目前，其轉換速度最高達到40GHz。但是其芯片面積和功耗大，分辨率有限。這是因為，對于要實現n位數字信號，電阻和比較器的數目達到2n，因此面積和功耗大。其次，電阻匹配限制其參考電壓特性，以及非線性輸入電容大，使比較器的產生嚴重失調，因此其分辨率一般限制在8位以下。

由于全并行ADC前置放大器在轉折電壓具有較好的線性特性，通過電阻串，電流鏡或電容等內插出全并行ADC所需的更多的參考電壓。內插技術減少了前置放大器的數目，大大降低轉換器的輸入電容，降低了由于前置放大器的漂移而引入的微分非線性誤差。但是通過內插技術實現的并行ADC，芯片面積仍然很大，功耗消耗也較大。

兩步式ADC克服了全并行ADC由于比較器數量巨大而帶來的問題，其結構框圖如圖2所示。這種ADC由兩級子ADC、一個減法器和一個數模轉換器（D/A）構成。將模擬信號轉換成數字信號，它需要兩步才能完成。第一步，輸入信號通過采樣保持電路（S/H）被ADC1量化成高位數據，然后通過D/A將這高位數據轉換成模擬信號，并與S/H保持信號相減。第二步，余量送入ADC2，產生低位數據。兩步式ADC得到高低位數字信號需要經過兩次模數轉換，因此其轉換時間比全并行結構長，且需減法電路和D/A模塊。但在同樣的精度下，大大減少了比較器的數目，使得芯片面積和功耗大大降低。

圖2 兩步式ADC結構框圖

1.2 折疊結構

折疊ADC如圖3所示，模擬輸入信號被分為兩條并行路徑。第一條路徑首先經過預處理器進行預處理后，粗量化器將其量化為2N1個值。第二條路徑通過一個折疊電路進行處理，將2N1個子區間全部映射到一個子區間上，然后將此模擬信號送到一個有2N2個子區間的細量化器中。比較器的總數為2N1-1加2N2-1，而具有同等分辨率的并行ADC需要2N1+N2-1個比較器。因此折疊式ADC的比較器數目小于全并行ADC，且其最快轉換時間只需要一個時鐘周期。但折疊式ADC因為沒有采樣保持，折疊輸出的帶寬是模擬帶寬的數倍。

圖3 折疊式ADC結構框圖

1.3 時間交織結構

上述ADC的速度雖然很高，但轉換時間最短也要一個時鐘周期，而時間交織這種電路技術從根本上突破了這個極限，放寬了各個通道ADC的要求，并且部分解決了ADC系統中速度和分辨率之間的矛盾。圖4為其原理框圖，輸入信號在時鐘clk的控制下，依次被各個通道的ADC進行處理，在輸出端依次輸出各通道的數字信號。即使clk信號分成n個通道的時鐘信號clkl、clk2…clkn，因此clk的頻率是各通道時鐘頻率的n倍。

圖4 時間交織ADC結構框圖

因此，只要各通道的采樣足夠高，保證各ADC的準確性，時間交織結構的模數轉換速度即為時鐘clk的頻率，遠遠超過了各個通道轉換速度。但時間交織技術會產生通道增益、通道失調和時間的失配[1]。

2 高速ADC的發展及應用

新的結構和新的工藝技術，使得A/D轉換器采樣速率從幾百kHz發展到上GHz甚至幾十GHz超高速采樣率，功耗也越來越低。如SiGe BiCMOS工藝、Inp/InGaAS工藝，采用高速ADC結構并采用這些新的工藝技術來實現，使得ADC的轉換速度達到幾十GHz[2]。這些高速ADC主要應用于醫療儀器、高數據采集系統、超寬帶雷達、超寬帶無線通信系統[3]等領域。

［1］艾倫.CMOS模擬集成電路設計:電二版.電子工業出版社，2005,3：557-570.

［2］Borokhovych,Y.，Gustat,H.4-bit,15 GS/s ADC in SiGe.NORCHIP 2008.2008:268-271.

［3］郝俊，孟橋，高彬.0.35μm CMOS 4位4Gsample/s全并行模數轉換器設計.電子器件,2007，30(2)：403-406.