一種分步式Dual slope ADC的研究與設(shè)計

杜　微，李榮寬

（電子科技大學 電子工程學院電路與系統(tǒng)系，四川 成都 611731）

一種分步式Dual slope ADC的研究與設(shè)計

杜微，李榮寬

（電子科技大學 電子工程學院電路與系統(tǒng)系，四川 成都 611731）

介紹了一種分步式Dual slope ADC，并且詳細介紹了此結(jié)構(gòu)提出的理論基礎(chǔ)、電路的具體結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果。該Dual slope ADC的系統(tǒng)時鐘為1 MHz，輸入電壓范圍為 0.5 V～4.5 V，電源電壓為5 V。相對于傳統(tǒng)的 Dual slope ADC，此分步式Dual slope ADC不但可以達到更高的分辨率，而且彌補了傳統(tǒng)的Dual slope ADC的缺點，即對于全集成電路的大分布電容的要求以及高分辨率轉(zhuǎn)換時間過長，使得此新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器還具有速度快（遠遠快于雙積分ADC的速度）的優(yōu)點。

雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器；復用；自動補償；高分辨率

0　引言

溫度、壓力等緩慢變化的信號一般頻率很低（幾赫茲甚至更低），當傳感器在感受這些緩慢變化的信號之后，需要通過一個轉(zhuǎn)換速率可以很低但必須很精準的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將未知的模擬信號轉(zhuǎn)換為已知的數(shù)字信號[1]。雙積分 ADC應(yīng)用非常廣泛。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由1個帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器1個比較器和1個計數(shù)單元構(gòu)成，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。積分型 ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓[2]。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力：能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如 50 Hz或60 Hz），適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用[3]。這類 ADC分辨率高，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可達到22位，還具有功耗低、成本低等特點。大量應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如現(xiàn)有工業(yè)、民用儀器儀表中。

1　基本原理

此新型 Dual slope ADC的實質(zhì)是基于分步式 ADC的轉(zhuǎn)換原理，一個基本的m+n位的奈奎斯特ADC的轉(zhuǎn)換過程可以用數(shù)學公式表示為：

此公式可以變形為：

由式(2)可以看出此m+n位 ADC的轉(zhuǎn)換公式可以拆分成兩個A/D轉(zhuǎn)換公式，一個n位ADC的轉(zhuǎn)換公式為：

其中的 Vin是系統(tǒng)輸入的未知模擬電壓，Vref是給定的參考電壓。另一個m位子ADC的轉(zhuǎn)換公式為：

其中，Vin1為未知的輸入信號，而此m位ADC的參考電壓為：

至此，從理論推導的角度證明了這種分步式ADC結(jié)構(gòu)的合理性。

此分步式ADC先進行n位ADC的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換完成后的剩余電壓作為m位子ADC的未知輸入信號。整個過程等效實現(xiàn)了m+n位ADC的轉(zhuǎn)換。但前n位ADC轉(zhuǎn)換的剩余電壓比較小，比較器可能無法分辨[3]。為了解決了這個問題，本系統(tǒng)中引入了自動補償電路，如圖1所示，通過開關(guān)控制積分器電阻和電容的比值，從而改變積分的時間常數(shù)。使得比較器的輸入信號幅度不會被衰減。

圖1　帶補償?shù)姆e分電路

此自動補償方法不會影響分步式Dual slope ADC轉(zhuǎn)換的精準性，系統(tǒng)中帶補償?shù)姆e分電路如圖1所示，正反向積分轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。正向積分時系統(tǒng)的輸入為未知的模擬信號Vin，而反向積分時系統(tǒng)的輸入為參考電壓 Vref。

圖2　正反向積分轉(zhuǎn)換圖

由虛短路、虛斷路原則可以得到：

式中的 Vcm為運算放大器的共模電壓，此系統(tǒng)中為2.5 V。Req、Ceq為補償后的等效電阻和電容，這兩個值由開關(guān)控制，可以得出輸出電壓為：

由圖2可知，在 T1=2nTck時積分器的輸出電壓為：

反積分過程接入的電壓為 Vref，從 T1時刻積分到 T1+ T2時刻的輸出電壓為：

當 Vo2=0時比較器剛好翻轉(zhuǎn)，此時由式(8)、式(9)可以得到轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

其中的MTck=T2為反積分的時間，輸入的未知模擬電壓為：

由式(10)、式(11)的表達式可以看出最終的所求電壓 Vin與積分時間常數(shù)RC沒有關(guān)系，只要保證正反向積分的時間常數(shù)相同，那么此Dual slope ADC的轉(zhuǎn)換精度就不會受到影響[4]。而此系統(tǒng)中的補償方法滿足穩(wěn)定條件，所以這種補償方法是可行的。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上原理，文中所設(shè)計的分步式Dual slope A/D轉(zhuǎn)換器由補償積分器、比較器、D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）、數(shù)字控制邏輯等幾部分組成，如圖3所示。Vref為n位ADC的輸入?yún)⒖茧妷?，Vin1是n位ADC轉(zhuǎn)換完成后的剩余電壓(也是 m位ADC的未知輸入電壓)，Vref1為 m位 ADC參考電壓。其中 Vin1、Vref1可以通過數(shù)字邏輯控制 n位 DAC模塊而獲得。

圖3　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

整個 m+n位 ADC的轉(zhuǎn)換分為兩個過程，當 S10、S20閉合，S1、S2、S3、S11、S21斷開時為 n位 ADC的轉(zhuǎn)換過程，此時未知輸入信號 Vin及參考電壓 Vref通過開關(guān) S10、S20接入電路，此過程與傳統(tǒng)的雙積分ADC的工作過程相同。轉(zhuǎn)換完成后，通過鎖存器將得到的n位ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲起來。當開關(guān) S10、S20、S2斷開，S11、S21、S1、S3閉合時為m位ADC的轉(zhuǎn)換過程，此時未知輸入信號Vin1及參考電壓 Vref1通過開關(guān) S11、S21接入電路。進行 m位 ADC的轉(zhuǎn)換過程。整個過程實現(xiàn)了m+n位ADC的轉(zhuǎn)換。

此結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的雙積分ADC的創(chuàng)新之處有：

(1)通過開關(guān)S10、S20、S11、S21控制實現(xiàn)兩步轉(zhuǎn)換的過程。

(2)通過開關(guān) S1、S3實現(xiàn)了自動補償?shù)墓δ?，保證了m位子ADC轉(zhuǎn)換的精準性。

(3)通過增加一個DAC電路將n位ADC轉(zhuǎn)換的剩余電壓提取出來，進行m位子ADC的轉(zhuǎn)換，從而具備了再分辨的能力。

3　電路設(shè)計

系統(tǒng)中的DAC結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中C是單位電容，最右端的電容為終端匹配電容。第一個時鐘周期為放電過程，此時 k1、k2為高電平，d1、b1～b10全部為低電平。第二個時鐘周期為采樣過程，此時k1、k2、d1、b1～b10全部為高電平。緊接著的十個時鐘周期是轉(zhuǎn)換過程，此時 k1、d1是低電平，b1～b10受數(shù)字控制邏輯控制[5]。其余的時鐘周期為n位ADC轉(zhuǎn)換的剩余電壓提取過程，此時k1為高電平，k2、b1～b10全部為低電平。

圖4　DAC電容陣列

由DAC的轉(zhuǎn)換過程，可以得到簡化的等效電路如圖5所示，從此等效電路可以容易地提取出所需要的電壓 Vin1、Vref1。

圖5　提取過程的等效電路

由基本的電容串聯(lián)分壓理論求得：

DAC電容陣列的上下極板的電荷守恒可以得到：

而電壓Vk正好就是參考電壓Vref1，電壓V1就是Vin1。

系統(tǒng)中的運放采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，為了增大輸入共模范圍而采用軌到軌運放的結(jié)構(gòu)[6]，具體實現(xiàn)電路如圖6所示。在0.5 μm工藝下，對此運放進行仿真，其增益和相位曲線如圖7所示，由圖可知運放的增益達到118 dB，相位裕度大于80°，單位增益帶寬達到100 MHz。

圖6　運算放大器的結(jié)構(gòu)

圖7　運放的仿真結(jié)果

4　系統(tǒng)仿真結(jié)果

用Cadence軟件對搭建的系統(tǒng)進行瞬態(tài)仿真，整個過程積分器的輸出波形如圖8所示，電壓Vo+表示 16位ADC的輸出。可以看到由于采用了自動補償電路，使得整個ADC的積分器輸出幅度不會衰減。

圖8　兩個階段積分器的輸出波形

在系統(tǒng)時鐘頻率為1 MHz，輸入信號頻率為0.5 kHz時，16位(m＝n＝8)ADC的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖9所示，當輸入電壓為3.0 V時，n位ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果約為2.992 2 V，而m+n位ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果約為2.999 92 V。有效位數(shù)大約為15位，其中的誤差主要來自于數(shù)字控制邏輯，若繼續(xù)對控制邏輯進行優(yōu)化，分步式 Dual slope ADC結(jié)構(gòu)可以很容易達到很高的精度，同時速度也會得到提高。

相對于傳統(tǒng)的雙積分 ADC，此分步式 Dual slopeADC結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

(1)此系統(tǒng)具有自動補償功能，可以自動調(diào)節(jié)電壓幅度，從而達到更高的分辨率。而且減小了傳統(tǒng)雙積分ADC對大電容的依賴性。

(2)此系統(tǒng)的兩個過程通過復用的方式實現(xiàn)，從而使得芯片的功耗不會明顯增大。

(3)此結(jié)構(gòu)采用了分段結(jié)構(gòu)，會將傳統(tǒng)的雙積分ADC的轉(zhuǎn)換時間提高很多，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最慢的轉(zhuǎn)換需要22n個時鐘周期，而此結(jié)構(gòu)只需要2n個時鐘周期。

圖9　輸入輸出轉(zhuǎn)換圖

5　結(jié)論

此新型 Dual slope ADC系統(tǒng)采用了分步式工作方式，不僅會使其分辨率較傳統(tǒng)的雙積分ADC得以提高，而且轉(zhuǎn)換速率也會大幅度提升；同時還引入了自動補償方法，從根本上改善了傳統(tǒng)的雙積分ADC需要大的分布電容的缺點。值得一提的是：此系統(tǒng)由于采用了復用技術(shù)，所以將會和傳統(tǒng)的雙積分ADC一樣具有低功耗的優(yōu)勢。此系統(tǒng)的缺點是數(shù)字控制邏輯比傳統(tǒng)方法更復雜，且占據(jù)的芯片面積要有所增加，所以如何找到一種簡潔有效的控制方法至關(guān)重要。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將更加適合于在低速、精密測量等領(lǐng)域應(yīng)用。

[1]RAZAVI B.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦，等，譯.西安：西安交通大學出版社，2001.

[2]ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS analog circuit design[M]. Second edition.Oxford University.Inc，ISBN 0-19-511644-5，2002.

[3]JOHNS D A，MARTIN K.Analog integrated circuit design[M]. New York：iley，1997.

[4]BAKER R J.CMOS circuit design，layout and simulation[M]. 3rd Edition，John Wiley&Sons，2010.

[5]羅剛.基于雙積分原理的 ADC設(shè)計[D]，成都：電子科技大學，2009.

[6]趙天挺.一種 CMOS 12-bit 125ksps全差分 SAR ADC[D].天津：南開大學，2004.

Design of a new subranged dual slope A/D converter

Du Wei，Li Rongkuan
(Department of Circuits and Systems,University of Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China)

This paper presents a new architecture of the accurate dual slope analog－to－digital converter.This architecture not only has a higher resolution and a lower conversion time than traditional dual slope analog－to－digital converter but also solve the problem of large capacitance in integrated circuit,the device has a system clock frequency of 1 MHz for a supply voltage of 5 V with an input voltage from 0.5 V to 4.5 V.Experimental results are given to confirm the operation of the proposed dual slope ADC.

dual slope ADC；reuse；automatic compensation；high resolution

TN453

A

10.16157/j.issn.0258－7998.2015.10.011

2015-04-01)

李榮寬(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：片上系統(tǒng)（SOC）研究、設(shè)計與系統(tǒng)工具開發(fā)。

杜微(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向：片上系統(tǒng)（SOC）研究、設(shè)計與工具開發(fā)。

童姣葉(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：片上系統(tǒng)（SOC）研究、設(shè)計與工具開發(fā)。

中文引用格式：杜微，李榮寬.一種分步式Dual slope ADC的研究與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：45－48.

英文引用格式：Du Wei，Li Rongkuan.Design of a new subranged dual slope A/D converter[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：45－48.