6bitFlashADC電路的設計

李婷 黎濤 蘇慶 魏一方

摘 要：模數轉換器（ADC）是模擬信號和數字信號之間重要的接口電路。隨著科學技術的快速發展，對ADC的性能要求越來越高，ADC的性能甚至成為衡量器件設備好壞的關鍵因素。本文的目標是設計一個6bit高速Flash ADC，同時利用底極板采樣技術、D觸發器和與門構成的毛刺消除電路改善了ADC的失真和毛刺現象。在100MHz的采樣頻率下進行電路仿真，得到信號噪聲失真比（SNDR）達36.7904dB。

關鍵詞：6bit Flash ADC;SNDR;底極板采樣;毛刺消除

信息學科的發展帶動了數字通信的發展，而且理論和實踐都已經證明，數字通信具有可靠、方便、經濟和保密等優點。要實現數字通信，首先要考慮的就是如何將自然界中的模擬信號轉換為數字信號，故ADC的發展顯得尤為重要，為此，人們開始發展ADC。本文6bit Flash ADC 電路的設計的難點主要在比較器，要解決亞穩態誤差和毛刺現象。于是采用與門陣列及D觸發器構成的電路，可有效改善問題。同時將參考電壓內置于比較器中，從而避免了使用無源器件進行參考電壓的產生。[1]

1 工作原理

Flash ADC是運算速度最快的ADC，一個N位flash ADC有2N-1個比較器。每個比較器均有一個基準電壓。對給定的輸入電壓，當它高于比較器基準電壓時，邏輯輸出為“1”，而當它低于比較器基準電壓時，邏輯輸出為“0”。因此，2N-1個比較器的輸出在行為上類似于水銀溫度計，故該點的輸出碼則被稱為“溫度計”碼。由于2N-1個數據輸出并不便于實際應用，因此需要經過解碼器處理來產生N位二進制輸出，同時要考慮消除誤差的問題。本文是設計一個6bit的Flash ADC電路，電路主體為三個部分，分別為采樣保持電路、量化電路、DAC（設計不作要求），其原理及電路圖將在第二部分進行說明。

2 采樣保持電路

3 量化電路

采用63個比較器，每個比較器含有一個內置參考電壓，比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號0或1。當“+”輸入端電壓高于“-”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平;當“+”輸入端電壓低于“-”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平。為了減少輸出波形的毛刺，則在每一個比較器輸出端接一個毛刺消除電路，如圖2所示：

從比較器序列輸出的是一組溫度計碼。為使溫度計碼轉換成計算機能夠處理的二進制碼，需要一個溫度計編碼電路作為橋梁，當輸入信號與參考信號電壓大小差值極小時，比較器不能迅速穩定到正確的邏輯電平，這種亞穩態進而無法給予確定的高低電平給下級電路。可通過在溫度計碼和二進制碼中間引入格雷碼來降低亞穩態造成的數字輸出錯誤。[2]如圖3所示：

4 總電路結構

將以上各部分進行級聯可得由采樣模塊、量化模塊和DAC電路模塊構成的總電路結構，如圖4所示：

5 仿真結果

為了看到最后的波形，加一個理想DAC在最后，輸出波形如圖5所示，SNDR為36.7904dB。

6 結論

本論文中6bit Flash ADC電路是用65nm工藝完成設計，通過電路層面進行仿真驗證得到SNDR為36.7904dB，較接近于理想值。本電路相較于通過無源器件產生參考電壓的Flash ADC在面積和性能上的到一定的改善。

參考文獻：

[1]薛香艷，周雪榮，葉凡，任俊彥.一種采用標準數字單元實現的5bit 100MS/s全數字閃爍型模數轉換器[J].復旦學報（自然科學版），2016，55（04）：410-417+424.

[2]陳超.6 位 Flash 型超高速 ADC 的設計[D].哈爾濱工業大學，2007.

作者簡介：李婷（1998-），女，漢族，湖北咸寧人，本科;黎濤（1995-），男，漢族，重慶墊江人，本科;蘇慶（1998-），女，漢族，云南紅河州人，本科;魏一方（1998-），男，漢族，陜西西安人，本科。