第三章-ADC和DAC

第三章高性能的ADC和DAC模数转换是一种将模拟输入信号转换成N位数字输入信号的技术。高性能主要指ADC或DAC的指标在某1个或几个方面比较突出，如：高速，高精度(位数多)和低功耗等。高性能的ADC和DAC在我们的课题中应用的越来越广，故本章主要介绍这方面的内容。内容安排：1).采样保持放大器（简称采保）2).ADC参数及其电路形式3).DAC参数及其电路形式4).Σ-Δ型ADC5).高速模数转换器的应用基础6).高速ADC的结构和工作原理7).基准参考电压8).时间数字转换器TDC3.1采样与保持放大器(Sample&HoldAmplifier)S/H也有称为(Track&Hold)T/H在进行AD转换的过程中，转换都需要一定的时间，因此需要在转换期间将输入信号保持不变，才能保证转换结果的正确性。故需要对输入信号进行采样和保持。这里先介绍采样和保持放大器(简称采保电路)。问题：除了ADC中，还有哪几些情况下必须使用采保？1.基本工作原理和框图(也是一种放大器)采样与保持放大器是一种具有2个输入(信号输入和控制输入)，一个输出的电路。两种工作模式(1)采样Sample(跟踪Track)模式：输出精确地跟踪输入的变化，直到出现保持命令。(2)保持模式(Hold)：输出保持控制命令出现时刻的输入信号的最终值。2.S/H放大器的用途(1)最主要的用途：作为ADC的驱动器。如：逐次比较和分量程ADC都要求在数模转换期间输入信号保持不变。(2)多通道同步采样ADC系统。(3)其它：峰值检波器，延迟线。3.S/H放大器的基本电路电路构成和工作原理：4个部分。输入放大器A1，储能元件(保持电容，外接)C，输出缓冲器A2和开关驱动器。A2：为电压跟随器，主要起输入阻抗大，输出阻抗小，1被放大的作用；A1：①当Logic信号大于LogicReference时，开关K闭合，A1和A2等也构成电压串联负反馈，保证输出Vo快速跟踪输入Vi。A1的输出Vo1通过电阻向保持电容Ch快速充电。②当Logic信号小于LogicReference时，开关K断开。输出Vo的电压有保持电容Ch上的电压确定。开关K接通之前，Vo1=Vi，可能与Vo有较大的电压差；开关K接通后两个互相反接并联的二极管为Vo提供了一个泄放的通路，保证Vo能更快速的跟踪Vi的变化。(1)储能元件：是S/H放大器的心脏，其上的电压在保持期间要求基本不变，在采样期间要能精确跟踪输入信号的变化。(2)输入放大器：要求具有高输入阻抗，以减少对前级影响。其输出可作为一个低输出阻抗的信号源，用来对保持电容充电。(3)输出放大器：要求其输入阻抗极高，以减少保持期间对保持电容的放电。(4)开关驱动器：用来切换两种工作模式。要求导通时开关内阻小，关断时阻抗大。保持电容的容值：大，利于保持不利于跟踪；小，利于跟踪不利于保持；4.S/H放大器的技术指标(也是放大器，有类似的指标参数)分两种模式来讨论技术指标，分为静态和动态两类。(1)跟踪模式(和普通的放大器一样)1)失调：对零输入，输出随时间和温度对零点的偏移。2)非线性：输出作为输入的函数，该曲线对理想直线的偏差，一般用满标度的百分数表示。3)增益：输入到输出的直流传递函数的值。4)调整时间：输入为满标度阶跃信号时输出达到规定的满标度范围内所要求的时间(也称为：acquisitiontime)。5)带宽：一般为-3dB带宽。6)转换速率：当输入为阶跃信号时，输出电压变化的最大速度。(2)保持模式1)下垂：由于保持电容器通过开关，输出缓冲器等放电，使输出电压发生下垂偏移产生误差。可增加电容容量，合理选择元件与PCB布线来解决。选用：高质量的聚苯乙烯和聚四氟乙烯电容。以及其它。5.芯片实例：LF398droop[dru:p]v.低垂,凋萎,萎靡implantv.灌输(参见画图)6.用LF398构成的峰值电压采样保持电路峰值电压采样保持电路如下图所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当ViVo时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，ViVo，电压比较器LM311输出低电平，LF398的逻辑控制端置低电平，使LF398处于保持状态。由于LM311采用集电极开路输出，故需接上拉电阻。放电脉冲控制输入Vk控制电容的放电。Vk=“1”时，二极管1N4148和三极管9013导通，电容放电，为下次跟踪做好准备；Vk=“0”二极管和三极管截止，电路输出一直跟踪输入峰值的变化。3.2模数转换器(ADC)参数及其电路形式模数转换器(Analog-to-DigitalConverter)简称ADC，它是一种将模拟信号转换成相应的数字信号的装置或器件。模拟信号是指那些在时间上和数值上都是连续变化的信号。自然界中各种物理量，如声、光、力、热等，在时间上和量的大小上也都是连续变化的。这些物理量经过传感器可以被变换成电信号，以便用电子技术手段来处理。而大多数传感器变换得到的电压、电流信号仍然是连续的。显然，这种连续变化的电压、电流信号属于模拟信号。模拟信号需要用模拟仪表指示，用模拟电路进行信号加工、用模拟计算机进行处理。而模拟系统对外界电磁干扰、环境温度的变化、电子元器件的参数变化都是比较敏感的，因此一个高质量的模拟系统是非常昂贵的。高速ADC的速度已达1000MHz，高精度ADC的分辨率已达24位；高速DAC的速度也高达500MHz，高精度DAC的分辨率己达18位。这样的指标已可以满足绝大多数电子设备对器件的要求，包括某些特殊应用场合的要求。模数转换过程任何ADC都包括三个基本功能：采样、量化和编码。采样过程将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则将数字信号最终表示成数字系统所能接受的的形式。如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同采样频率应最少大于输入信号中最高频谱分量的两倍。下图是采样过程：下图是3位采样和量化过程：静态特性ADC的静态特性是指它的实际量化特性。理想ADC(没有电路误差)的量化特性仅由它的量化方式、输出数字的位数和码制决定。实际上存在着失调误差、增益误差，线性和微分线性误差以及温度、时间和电源变化所引起的误差漂移。动态特性ADC的动态特性主要由转换时间和速率两个相关的技术指标来描述。一.常用术语和主要技术指标1.位(Bit)，字节(Byte)，字(Word)2.最低有效位LeastSignificantBit(LSB)最高有效位MostSignificantBit(MSB)3.分辨率(Resolution)分辨率指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。例如，称12位ADC具有12位分辨率。分辨率有时也用最低有效位LSB的步长表示。例如，把12位ADC的分辨率说成1/212或1／4096。4.输入信号的单极性方式(UnipolarMode)、双极性方式(BipolarMode)及输出编码方式①当ADC的模拟输入电压只允许为正电压或只允许为负电压，即为单极性方式，转换结果用无符号的二进制数表示。例如：当摸拟输入信号为单极性时(如：0V～＋10V)，ADC的数字输出采用无符号数表示，即:0000,0000B对应0V；1111,1111B对应＋10V。②当ADC的模拟输入电压既可为正电压，也可为负电压时，即为双极性方式，转换结果常用二进制偏移码或补码表示。例如：输入－10V～＋10V的8位ADC的输出码：符号数编码或双极性代码(以8位ADC来说明)当摸拟输入信号为双极性时(如：－10V～＋10V)，则要求数字输出为带正，负号的数字信号。在二进制系统中，数值的正，负号通常用一位二进制数的0，1来表示，并且常把符号位连同数值位一起编码，编码所得到的就是符号数，也称为双极性代码。下表是几种常用的双极性代码：二进制原码二进制原码的编码规则是：代码的最高位为符号位，0为正数；1为负数；其它各位为数值位，以常规二进制方式编码，其大小与双极性摸拟输入电压的绝对值相对应。这样的编码规则比较简单，易于阅读和理解。二进制偏移码二进制偏移码的编码规则是：二进制代码序列的中点为符号数0，对应于模拟输入的零电压；二进制代码全0为负数最大值(绝对值)，对应于模拟输入的负满度电压；二进制代码全1为正数最大值，对应于模拟输入的正满度电压。这种编码方式在电路上比较容易实现，因此在ADC中得到广泛的应用。二进制补码二进制补码的编码规则是：正数的补码与原码相同，负数的补码等于与其对应的数值位(不包含符号位)取反后加一。符号位与原码相同，0为正数，1为负数。采用补码的最大优点是在数字系统中可以用加法运算代替减法运算，有利于简化运算器的结构，所以它在数字电路和计算机系统中得到广泛的应用。二进值补码的数值位与二进制偏移码的数值位完全相同，唯一的差别是二者的符号位相反。因此，二者之间的相互转换非常简单，只需把最高位取反。5.满度范围(量程)Full-ScaleRange(Span)满度范围、量程、输入范围(Inputrange)、输入量程(Inputspan)均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为FSR。对于双极性ADC，还把模拟输入量的正向最大允许值称为正满度值(PositiveFull-Scale)，通常对应的二进制数全为1；把负向最大(绝对值)允许值称为负满度值(NegativeFull-Scale)、通常对应的二进制数全为0。如：6.量化误差(QuantizingError)(以下是理想特性)由于ADC的有限分辩率，量化误差是模拟输入量在量化取整过程中所引起的误差，又称量化不确定度。量化误差是模数转换器固有的，其大小与分辨率直接相关，通常为±1/2LSB或±1LSB模拟输入量。图3-1模数转换(3Bit)关系曲线(如左图：输入模拟量在0～1/8之间时都量化为数字量：000B)(如右图：输入模拟量在0～1/16之间时都量化为数字量：000B输入模拟量在1/16～2/16之间时都量化为数字量：001B)7.代码宽度(CodeWidth)在模数转换曲线的相邻两个变迁点之间对应的模拟输入量的差值称为代码宽度，理想代码宽度是满度范围的1/2n，即1LSB。(如上图：为2/8－1/8=1/8)8.零位误差(失调)ZeroError(Offset)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。零位误差又称输入失调，为实际模数转换曲线中数字0的代码中点与理想模数转换曲线(见图3-1)中数字0的代码中点的最大偏差。多数ADC可以通过外部电路的调整，使零位误差减小到接近零。当ADC工作在单极性方式时，从数字0到数字1的变迁应发生在1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为单极性失调(Unipo1arOffset)。当ADC工作在双极性方式时，从数字011…111到数字100…000的变迁应发生在-1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为双极性零位误差(Bipolarzeroerror)。9.增益误差和满度误差GainerrorandFull-Scaleerror满刻度误差（FullScaleError）满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。理想ADC在接近满度的最后一次变迁应发生在比满度值低3/2LSB模拟输入量处。实际ADC最后一次变迁对应的模拟输入量与理想值之间的偏差称为满度误差。增益误差则是指实际ADC在量程内的最后一次变迁与第一次变迁对应的模拟输入量之差与理想值之间的偏差，通常用该偏差值相对于满度范围的百分比(％FSR)表示，也常用LSB的倍率表示。增益误差也可以定义为模数转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。多数ADC可以通过外部电路的调整，使增益误差减小到接近零。10.相对精度Relativeaccuracy相对精度是指在满度范围被校准的情况下，任意的数字量所