芯耀
4298
ADC最基本的組件是跟蹤保持階段（也稱為采樣保持階段），后面跟著一個(gè)閃存轉(zhuǎn)換器階段。跟蹤保持階段在最基本的層面上由一個(gè)由采樣時(shí)鐘控制的開關(guān)和一個(gè)用于保持待數(shù)字化值的采樣電容器組成。在采樣時(shí)鐘的邏輯低電平期間，開關(guān)閉合，允許輸入的模擬信號(hào)出現(xiàn)在采樣電容器上。
在時(shí)鐘的低電平期間，電容器上的電壓會(huì)跟蹤輸入的模擬信號(hào)。然后，當(dāng)采樣時(shí)鐘過渡到邏輯高電平時(shí)，開關(guān)將打開。這將采樣電容器與輸入的模擬信號(hào)隔離，因此電容器會(huì)保持開關(guān)打開瞬間的電壓，這就是跟蹤保持電路名稱的由來。
在輸入的模擬信號(hào)被采樣電容器凍結(jié)的同時(shí)，數(shù)字化階段有半個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間將電容器電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，然后再次關(guān)閉開關(guān)，設(shè)備再次進(jìn)入跟蹤階段。圖示展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的3位閃存轉(zhuǎn)換階段。
為了將信號(hào)數(shù)字化為3位代碼，需要2的n-1次方個(gè)電壓比較器，即7個(gè)比較器。這些電壓比較器按一系列閾值電壓排列，待轉(zhuǎn)換的電壓被輸入到每個(gè)比較器中。如果模擬輸入電壓高于最低的閾值電壓，則比較器輸出為激活狀態(tài)。如果電壓高于第二個(gè)閾值電壓，則那個(gè)比較器被激活。如果電壓高于第三個(gè)閾值，則那個(gè)比較器被激活，以此類推。
圖例所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的3位快閃型（Flash）轉(zhuǎn)換階段。若要將信號(hào)數(shù)字化為3位碼，需要2的(n-1)次方個(gè)電壓比較器，即7個(gè)比較器。這些電壓比較器配置有一系列的閾值電壓，待轉(zhuǎn)換的電壓會(huì)被輸入到每個(gè)比較器中。如果模擬輸入電壓高于最低的閾值電壓，那么對(duì)應(yīng)的比較器就會(huì)輸出激活信號(hào)。如果電壓高于第二個(gè)閾值電壓，則第二個(gè)比較器輸出激活信號(hào)。以此類推，如果電壓高于第三個(gè)閾值電壓，則第三個(gè)比較器輸出激活信號(hào)。
經(jīng)過這7個(gè)比較器后，會(huì)得到一組7個(gè)比較結(jié)果，這通常被稱為溫度計(jì)碼（Thermometer Code）。這是因?yàn)殡S著輸入電壓的升降，激活的輸出數(shù)量也會(huì)像溫度計(jì)一樣升降。此時(shí)，溫度計(jì)碼是輸入信號(hào)的數(shù)字表示，但更常見的是使用一些數(shù)字邏輯將溫度計(jì)碼轉(zhuǎn)換為算術(shù)碼（也稱為二進(jìn)制碼）。
最后，還需要在采樣時(shí)鐘的下降沿將算術(shù)碼鎖存到寄存器中，以便在電容器上保持的信號(hào)再次開始變化之前捕獲樣本?？扉W型轉(zhuǎn)換階段需要2的(n-1)次方個(gè)電壓比較器，這對(duì)于分辨率為5位或6位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來說是合理的。一個(gè)6位的快閃型ADC需要63個(gè)電壓比較器。然而，這個(gè)概念對(duì)于擴(kuò)展到12位或14位的ADC來說并不實(shí)用。一個(gè)14位的快閃型ADC將需要16,384個(gè)電壓比較器。即使這在芯片上實(shí)現(xiàn)是合理的，相鄰閾值電壓之間的差異也可能小于比較器固有的偏移誤差電壓，從而導(dǎo)致核心線性度問題，甚至可能出現(xiàn)丟失的輸出碼。
如果閃存ADC階段僅限于5位或6位，那么可以在流水線階段實(shí)現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。這里以3個(gè)流水線階段實(shí)現(xiàn)的14位ADC為例。第一個(gè)ADC階段是5位閃存階段，提供5位分辨率的采樣。但是，當(dāng)這個(gè)5位采樣被鎖存時(shí)，5位代碼會(huì)被一個(gè)匹配的5位內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換回模擬電壓。
此時(shí)，我們有了實(shí)際的輸入電壓及其對(duì)應(yīng)的5位代碼，以及與該5位代碼相對(duì)應(yīng)的理想電壓。實(shí)際輸入電壓與分配給該代碼的理想電壓之間的差異被稱為實(shí)際電壓與理想電壓之間的殘差或量化誤差。但是，如果在5位閃存ADC階段之后，我們將這個(gè)殘差乘以32倍，那么殘差就會(huì)被擴(kuò)展到ADC的原始滿量程范圍。然后，這個(gè)殘差可以通過第二個(gè)閃存ADC階段進(jìn)行進(jìn)一步的量化，從而獲得更高精度的采樣結(jié)果。
理論上，這種流水線階段的串聯(lián)可以無限擴(kuò)展，以獲得樣本的無限分辨率。但在實(shí)際中，不同ADC階段、數(shù)模轉(zhuǎn)換器階段和殘差放大器之間的小不匹配和增益差異會(huì)導(dǎo)致誤差累積。根據(jù)所有單個(gè)元件容差的修剪精度，通?？尚械氖侨剿膫€(gè)流水線階段。最后，流水線階段通常設(shè)計(jì)有一位重疊，以便ADC階段和其后數(shù)模轉(zhuǎn)換器階段之間的輕微不匹配不會(huì)導(dǎo)致輸出代碼跳變，該跳變可能大于最終代碼的最低有效位。
當(dāng)各個(gè)階段的片段組合成一個(gè)完整的樣本時(shí)，通過算術(shù)邏輯來解決這一位重疊問題。在這個(gè)例子中，第一階段提供了5位的分辨率，第二階段提供了額外的4位分辨率，而最后階段提供了額外的5位分辨率，從而得到一個(gè)最終的14位樣本。
另一種實(shí)現(xiàn)高分辨率轉(zhuǎn)換的方法是逐次逼近型ADC。在這種架構(gòu)中，模擬輸入信號(hào)同樣會(huì)被凍結(jié)在采樣保持電路或跟蹤保持電路中，這與在快閃式或流水線式ADC中使用的方法相同。但是，在輸入信號(hào)被跟蹤保持電路保持之后，將這種電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼的方法就有所不同了。在這種方法中，ADC通過迭代的方式，每次迭代增加一位分辨率，直到獲得所需位數(shù)的數(shù)字代碼。雖然只使用了一個(gè)比較器，但配備了一個(gè)ADC階段，用于迭代生成一系列閾值電壓。
首個(gè)閾值電壓用于確定采樣值的最高位，具體通過比較輸入電壓是高于還是低于中間刻度來實(shí)現(xiàn)。如果輸入電壓高于中間刻度，則最高位為1，然后ADC會(huì)繼續(xù)與下一個(gè)閾值電壓進(jìn)行比較，該閾值電壓為中間刻度與滿刻度之間的一半。在獲得所需位數(shù)的數(shù)字代碼后，采樣值會(huì)伴隨著一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)被輸出。
這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，最大轉(zhuǎn)換速率受到數(shù)模轉(zhuǎn)換器加上比較器的速度除以必須執(zhí)行的位迭代次數(shù)的限制。因此，這種架構(gòu)通常用于速度相對(duì)較低、功耗較低但分辨率較高的ADC。通常，這種轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)16位、18位甚至更高的分辨率。
對(duì)于單個(gè)流水線式ADC，其最大采樣率在很大程度上會(huì)受到快閃式ADC階段穩(wěn)定所需時(shí)間的限制，并且其輸出需要在半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被鎖定。實(shí)現(xiàn)更高采樣率的一種常見方法是使用多個(gè)ADC階段并行工作，并且時(shí)鐘信號(hào)被延遲和交錯(cuò)。這種方法的好處是，對(duì)于給定的工藝節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)比單個(gè)ADC更高的采樣率。
其缺點(diǎn)包括需要將輸入信號(hào)無偏差或幅度不匹配地分配給所有交錯(cuò)連接的ADC，這增加了模擬輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)分配上的負(fù)載和分布負(fù)擔(dān)。時(shí)鐘信號(hào)或模擬信號(hào)分配上的不匹配會(huì)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)失真，從而降低性能。
交錯(cuò)式ADC中常見的誤差來源包括偏移失配、幅度失配和時(shí)鐘相位失配。通過數(shù)字邏輯對(duì)交錯(cuò)子ADC后的采樣數(shù)據(jù)流進(jìn)行操作，可以相對(duì)容易地校正偏移失配和增益失配?？梢栽O(shè)計(jì)數(shù)字邏輯來根據(jù)每個(gè)交錯(cuò)子ADC的采樣數(shù)據(jù)估計(jì)偏移失配和/或增益失配。然后，可以使用算術(shù)邏輯實(shí)時(shí)地從采樣數(shù)據(jù)中減去估計(jì)的偏移誤差。
同樣地，估計(jì)的增益誤差也可以用于通過乘法邏輯實(shí)時(shí)補(bǔ)償采樣數(shù)據(jù)。相位誤差補(bǔ)償在實(shí)時(shí)校正方面更為困難。
偏移誤差是由于設(shè)計(jì)中不同交錯(cuò)式ADC核心的直流偏移電壓不同而產(chǎn)生的。在這個(gè)例子中，紅色波形是一個(gè)交錯(cuò)式ADC所看到的波形，而綠色波形是另一個(gè)交錯(cuò)式ADC所看到的波形。
對(duì)于未經(jīng)校正的偏移誤差，該誤差會(huì)在理想采樣模式之上呈現(xiàn)鋸齒狀圖案，導(dǎo)致采樣值最終高于或低于理想值。在頻域中，這通常表現(xiàn)為在奈奎斯特頻率（對(duì)于雙向交錯(cuò)則為采樣率的兩倍以上）或快速傅里葉變換（FFT）所得頻譜中的雜散信號(hào)，對(duì)于四向交錯(cuò)，則表現(xiàn)為采樣率的四倍以上的倍數(shù)處的雜散信號(hào)。增益誤差是由于設(shè)計(jì)中不同交錯(cuò)式ADC核心的增益值不同而產(chǎn)生的。在這個(gè)例子中，紅色波形是一個(gè)交錯(cuò)式ADC所看到的波形，而綠色波形是另一個(gè)交錯(cuò)式ADC所看到的波形。與偏移誤差類似，未經(jīng)校正的增益誤差也會(huì)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)呈現(xiàn)鋸齒狀外觀，但不同的是，當(dāng)誤差跨越中間刻度時(shí)，其方向會(huì)反轉(zhuǎn)。
在上述例子中，紅色波形的增益降低，導(dǎo)致在中刻度以上時(shí)，采樣值低于理想代碼值；而在中刻度以下時(shí)，采樣值則高于理想代碼值。由此產(chǎn)生的頻譜比簡(jiǎn)單的偏移誤差頻譜更為復(fù)雜，其重復(fù)圖像依賴于輸入信號(hào)的頻率。在所示的頻譜草圖中，既顯示了輸入信號(hào)的重復(fù)圖像，也顯示了輸入信號(hào)二次諧波的重復(fù)圖像。
處理交錯(cuò)系統(tǒng)中不匹配問題的方法有很多。對(duì)于要求更高采樣率但對(duì)性能要求不高的應(yīng)用，可能只需要依賴諸如信號(hào)到ADC路由長(zhǎng)度等外部因素的匹配就足夠?qū)崿F(xiàn)交錯(cuò)。為了保持信號(hào)噪聲比或諧波性能方面的交流（AC）性能，可能需要進(jìn)行某種交錯(cuò)校正。這通常涉及某種方法來估計(jì)不匹配的程度，然后以某種方式對(duì)其進(jìn)行校正。
校正可以在采樣前應(yīng)用于模擬信號(hào)，也可以在轉(zhuǎn)換后以數(shù)字方式應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)。估計(jì)功能可以最初一次性執(zhí)行，在這種情況下，除非每隔一定時(shí)間進(jìn)行重新校準(zhǔn)，否則估計(jì)將不會(huì)考慮環(huán)境溫度等環(huán)境條件的漂移。在正常操作ADC期間，估計(jì)功能可以在采樣數(shù)據(jù)的滑動(dòng)窗口上連續(xù)執(zhí)行。大多數(shù)用于估計(jì)增益或偏移不匹配的估計(jì)算法的一個(gè)缺點(diǎn)是，可能存在對(duì)所用估計(jì)算法表現(xiàn)不佳的病理輸入模式。
