改善開關(guān)瞬態(tài)非理想行為的A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

朱葉

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，在自動(dòng)控制，測量和通信等領(lǐng)域中越來越普遍的情況就是把系統(tǒng)中輸入進(jìn)去的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行相關(guān)的處理。但是，有的時(shí)候又有相關(guān)的操作要求系統(tǒng)在輸出的時(shí)候要把已經(jīng)處理過的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號(hào)。這樣，在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間，或在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間，需要有一個(gè)接口電路——A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器。在現(xiàn)今多媒體和通信技術(shù)的發(fā)展之中，得到大量應(yīng)用的就是高精度A/D轉(zhuǎn)換器。比如直接數(shù)字頻率合成、高清晰度電視、無線通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射等技術(shù)中都有高精度A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用實(shí)例。在轉(zhuǎn)換的過程中要具有很好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)這是高精度實(shí)用A/D轉(zhuǎn)換所必須要求的，對電路設(shè)計(jì)的要求也偏高。由于要求增加轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率，誤差也隨之增大，這就給轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能帶來了巨大的影響。在這一系列的誤差當(dāng)中，影響最大的就是在開關(guān)的時(shí)候產(chǎn)生的瞬態(tài)非理想行為。本篇論文通過分析可能會(huì)影響到A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能的此項(xiàng)誤差和另外兩項(xiàng)誤差，根據(jù)分析提出了一種能夠有效地改善開關(guān)瞬態(tài)非理想行為的新型電流源開關(guān)。在新型電流源開關(guān)電路的前提之下，我們提出了實(shí)用A/D轉(zhuǎn)換電路的概念。

【關(guān)鍵詞】A/D轉(zhuǎn)換器；瞬態(tài)非理想行為；電流源開關(guān)；bit 數(shù)模轉(zhuǎn)換；CMOS；互補(bǔ)開關(guān)

The Design of the A/D Converter Circuit for Improving the Transient non Ideal Behavior of the Switch

ZHU Ye

（Xian Railway Vocational and Technical Institute， Xian Shaanxi 710014， China）

【Abstract】Along with the rapid development of computer technology and digital signal processing technology， the communication， measurement， automatic control and many other fields， to convert the input to the system of the analog signal to digital signal processing has been more and more prevalent. At the same time， and often require that the processing of digital signal is then converted to the corresponding analog signal， as the output of the system. Such， between analog signals and digital signals， or between analog signals and digital signals， need to have an interface circuit， d/a or a/d converter. The development of communication and multimedia technology high precision analog-to-digital converters to get a number of applications. Such as high definition television， direct digital frequency synthesis， wireless communication system signal emission and so on. High accuracy and practical analog-to-digital conversion requirement converter has good dynamic performance， also to the requirement of circuit design is on the high side. However， with the increase of conversion rate and conversion accuracy， dynamic performance is affected by the error more converter. One of the most important error is in the process of switch transient non-ideal behavior. In this paper， detailed analysis of the three kinds of error the effects on the dynamic performance da converter， and puts forward a new type of current source switch， effectively improve the switching transient non-ideal behavior. A new type of current source based on the proposed switching circuit， we put forward the concept of practical analog-to-digital conversion circuit.

【Key words】A/D converter； Transient non-ideal behavior； Current source switch； Bit d/a conversion； CMOS； Complementary switch

0 引言

在半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展的過程中，在音頻信號(hào)的處理中已經(jīng)廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)接口，在模擬世界和數(shù)字世界中已經(jīng)體現(xiàn)出其越來越不可替代的位置。時(shí)域上應(yīng)用最多的就是A/D轉(zhuǎn)換器，就像在處理音頻信號(hào)和要求顯示器的高分辨率上。這些都推動(dòng)了高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展。再發(fā)展中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，此領(lǐng)域也越來越多的應(yīng)用了A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為了這些應(yīng)用的發(fā)送機(jī)基帶，這就不能使相鄰信道的輸出信號(hào)中產(chǎn)生諧波。要求直流的精度達(dá)到要求已經(jīng)不能滿足高速高精度A/D轉(zhuǎn)換器的研究了，更重要的是要在研究中達(dá)到動(dòng)態(tài)性能的要求。本論文主要探討的是研究設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率、1十四位為100MHz的A/D轉(zhuǎn)換器。為了高位電流源，十四位精度采用后臺(tái)自校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在正常工作時(shí)給電流源就行測量使用的是高位電流源是浮置結(jié)構(gòu)，所以就不用其他的來進(jìn)行替換，這樣一來就能使電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度降低了下來。想要是由制造工藝產(chǎn)生的電流源偏差得到修正和使電流源可以輸出恒定的電流，這就要在后臺(tái)進(jìn)行矯正。折疊結(jié)構(gòu)是輸出級的輸出方式，使用折疊結(jié)構(gòu)可以使輸出擺幅得到提高，也可以使得輸出電流進(jìn)入負(fù)載前通過交叉耦合開關(guān)的輸出呈現(xiàn)出自歸零的形式，這樣就使得開關(guān)切換在輸出波形上的影響減小很多。時(shí)鐘負(fù)載結(jié)構(gòu)是在數(shù)字輸出部分采用數(shù)據(jù)無關(guān)時(shí)使用的方式。這樣就能使得開關(guān)的數(shù)據(jù)是否變化，時(shí)鐘始終輸出的都是恒定的負(fù)載，進(jìn)而是動(dòng)態(tài)性能得到提高，使得時(shí)鐘抖動(dòng)的發(fā)生減小了。

1 模數(shù)與數(shù)模

A/D轉(zhuǎn)換器就是能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路其簡稱為A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器則說的是能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路其簡稱為D/A轉(zhuǎn)換器，這兩種轉(zhuǎn)換器是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中使用的接口電路中必不可少的兩種電路。進(jìn)而出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換數(shù)模的概念就是連續(xù)變化的模擬量被時(shí)間和幅值上的離散數(shù)字量轉(zhuǎn)化成。而轉(zhuǎn)換模數(shù)的概念就是一個(gè)橋梁，是一個(gè)把DAC事模擬量和數(shù)字量和連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為在時(shí)間和幅值上離散的數(shù)字量ADC的橋梁。在數(shù)字控制系統(tǒng)中占了很重要的地位的是數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器這兩種轉(zhuǎn)換器。抗干擾性更強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)是經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器由各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換過來的。產(chǎn)生并且儲(chǔ)存的控制數(shù)字信號(hào)都可以直接被數(shù)字計(jì)算機(jī)處理。而控制被控對象的實(shí)現(xiàn)主要是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能來使得控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

2 精度的轉(zhuǎn)化

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的所使用的接口電路的配置和數(shù)模轉(zhuǎn)換器所使用的集成芯片的結(jié)構(gòu)決定了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。分辨率的大小指的就是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度，當(dāng)然這是在不考慮其他數(shù)模轉(zhuǎn)換器的誤差的情況下來規(guī)定的，因此只有選擇了有足夠分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器才能保證轉(zhuǎn)換器的精度。數(shù)模轉(zhuǎn)換器在使用的過程中，主要影響轉(zhuǎn)換精度的幾個(gè)原因有增益誤差、微分非線性誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差的等幾個(gè)因素。

3 模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念

模數(shù)轉(zhuǎn)換也被稱為數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換，它和數(shù)模轉(zhuǎn)換恰恰相反，是把像象原的灰階、電流和電壓等的連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字量。就像是：在對圖像機(jī)型掃描以后形成的象原列陣，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換后用數(shù)字來表示每個(gè)象原的灰階亮度，構(gòu)成的數(shù)字圖像就是經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換所得到的。平時(shí)最常用的有兩種轉(zhuǎn)換方式，一種是電子式的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式，另一種就是機(jī)電式的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式。這兩種方式經(jīng)常被運(yùn)用于遙感中對圖像的傳輸，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后以數(shù)字的形式來對圖像進(jìn)行處理和貯存。例如：圖像的數(shù)字化等。對原始數(shù)字進(jìn)行數(shù)字近似指的就是信號(hào)數(shù)字化，它的實(shí)現(xiàn)是通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)時(shí)鐘來運(yùn)行的。表示原始信號(hào)的時(shí)候采用N-bit的數(shù)字信號(hào)代碼來量化指的就是數(shù)字近似的過程，以bit位為單位的量化，可以精細(xì)到1/2^N。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換速率和信號(hào)波形的采樣速度是由時(shí)鐘信號(hào)來決定的。不可能同時(shí)達(dá)到兩種要求—高達(dá)1GHZ的采樣頻率和24bit的轉(zhuǎn)換精度。一般來說，裝置運(yùn)行速度的快慢是由數(shù)字的位數(shù)來決定的。

4 總結(jié)

把輸入的所有的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行輸出，這是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要功能。二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是根據(jù)不同的基本工作原理來劃分的兩大類模數(shù)轉(zhuǎn)換器。最合適運(yùn)用于集成工藝的是T型電阻網(wǎng)絡(luò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換器僅僅要求兩種阻值的電阻就可以了，也正是由于這個(gè)原因這種電路結(jié)構(gòu)被普遍地運(yùn)用于集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器。和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能恰恰相反，把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其對應(yīng)的二進(jìn)制再進(jìn)行輸出，這是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能特點(diǎn)和其種類有關(guān)，因此，以下介紹幾種不同數(shù)模轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)。第一種是并聯(lián)比較型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度很快，但是由于其本身的特點(diǎn)會(huì)用到很多的比較器和觸發(fā)器，一旦提高了分辨率，相應(yīng)的需要的元件的數(shù)量就要成倍成倍的增加。第二種是雙積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它的性能會(huì)比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換的精度也比較高，有著較簡單的電路結(jié)構(gòu)，抗干擾的能力也是非常強(qiáng)的。但是這種轉(zhuǎn)換器有較低的工作速度，這就不能應(yīng)付要求轉(zhuǎn)換速度快而且轉(zhuǎn)換精度高的工作。第三種是逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它的設(shè)計(jì)綜合了以上兩種的優(yōu)點(diǎn)，排除了自身的一些缺點(diǎn)，其具有較快的轉(zhuǎn)換速度，較低的誤差和較高的分辨率，這些都讓其得到了廣泛普遍的應(yīng)用。在這個(gè)數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛普及的社會(huì)中，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛的被應(yīng)用于現(xiàn)代控制、檢測和通信等領(lǐng)域，這樣就能大大的使得系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到提高。模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器給模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間搭建起了一座橋梁，使得計(jì)算機(jī)可以先把作為模擬量的一些實(shí)際對象通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸入，然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理以后再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將處理好的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行輸出。

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