大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室视频， 本视频将讨论高速模数 转换器和数模转换器 器件的架构。 首先，我们将 讨论快速模数 转换器级的基本 架构，然后展示如何 在流水线模数 转换器等更复杂的 模数转换器架构中将该 基本级用作核心架构。 我们会讨论交错式模数 转换器以及逐次 逼近模数转换器。 最后介绍基本 数模转换器核心 架构。 模数转换器 最基本的组件 是跟踪保持级， 也称为采样保持， 后跟快速转换器级。 跟踪保持级 在最基本的层次上 包含一个由采样 时钟控制的开关 以及一个使值保持 数字化的采样电容器。 在采样时钟有效 期间，此时时钟处于 逻辑低电平，开关 闭合，从而允许传入的 模拟信号出现 在采样电容器上。 在时钟处于低电平 期间，该电容器上的 电压将跟踪 传入信号，然后 当采样时钟转换 为逻辑高电平时， 该开关将断开。 这会将采样电容器 与传入模拟信号 相隔离，从而 使该电容器保持 开关断开瞬间的 电压，这就是跟踪 保持电路名称的由来。 当传入信号已 在采样电容器上 冻结时，数字转换器级 具有半个时钟周期的 时间将电容器 电压变换为数字代码， 然后开关再次 闭合，器件再次 进入跟踪阶段。 该图显示了一个简单的 3 位快速转换级。 要将信号数字化 为一个 3 位代码， 需要使用 2 的 n 次方 减 1 个电压比较器， 或 7 个比较器。 对于要进行转换以输入 到每个比较器中的 电压，这些电压 比较器具有一系列 阈值电压。 如果模拟输入 电压高于最低 阈值电压， 那么比较器输出有效。 如果电压高于 第二个阈值电压，那么 该比较器处于活动状态。 如果电压高于 第三个阈值，那么该 比较器处于活动 状态，依此类推。 在 7 个比较器 之后，将产生 一组比较器结果， 其中包含 7 个结果， 通常称为温度计码。 这是因为当输入 电压上升或下降时， 有效输出的数量 会随之上升或下降， 这与温度计有点相似。 此时，温度计码 是输入信号的 数字表示， 但更常见的做法 是采用某种数字逻辑， 将温度计码 转换为算术码。 最后，还需要 在采样时钟的 下降沿将算术码 锁存到寄存器中， 从而在电容器中保存的 信号再次开始变化之前 获取样本。 快速转换器级 需要 2 的 n 次方 减 1 个电压比较器， 这对于分辨率为 5 或 6 位的 数据转换器 而言是合理的。 6 位快速 模数转换器需要 63 个电压比较器。 此概念对于通过 12 或 14 位模数 转换器进行扩展 而言是不实用的。 14 位快速 模数转换器需要 16,535 个电压比较器。 即使这对于在芯片上 实现而言是合理的， 但相邻阈值电压之间的 差异可能小于 比较器的固有 偏移误差电压， 从而导致核心线性甚至 丢失输出代码。 如果快速模数 转换器级限制为 5 或 6 位，则可以 在流水线级实现 精度更高的 数据转换器。 此处说明了在 3 个流水线级中实现的 14 位模数转换器。 第一个模数转换器级 是一个 5 位快速级， 可产生分辨率 为 5 位的样本。 但锁存该 5 位 样本之后，一个 匹配的内部 5 位数模转换器 会将此 5 位代码 转换回至模拟电压。 此时，我们具有 实际的输入电压 和用于表示该电压的 5 位代码， 以及对应于该 5 位 代码的理想电压。 实际输入电压与为该 代码指定的 理想电压之间的 差值称为实际电压与 理想电压之间的 残留或量化误差。 但是，如果我们 在 5 位快速模数 转换器级之后将该残留 误差乘以因子 32， 那么该残留误差将 扩展至模数转换器的 原始满标度范围。 然后可以通过第二个 快速模数转换器级 进一步量化该残留 误差，从而使生成的 样本具有更高的精度。 该流水线级 级联在理论上 可以永远扩展 下去，以获取 无限的样本分辨率。 但实际上， 不同的模数转换器级、 DAC 级和残差 放大器之间的 微小不匹配和 增益将导致误差的 累积，三个或四个 流水线级通常是 可行的，具体取决于 修整所有单个组件的 容差的精度。 最后，通常会 在流水线级中 设计一位的 重叠，以便模数 转换器级与其 后面的 DAC 级 之间的轻微 不匹配不会 导致可能 大于最终代码的 一个最低有效位的 输出代码跳跃。 当来自各个级的片段 组合成一个 完整的样本后， 会使用算术逻辑 来解析该重叠位。 在此处的示例中， 第一个级提供 5 位的分辨率， 而第二个级提供 额外的 4 位 分辨率，最后 一个级又提供额外的 5 位分辨率，最终 得到一个 14 位的样本。 另一种实现更高分辨率 转换的方法是采用 逐次逼近模数转换器。 在该架构中， 模拟输入信号也 冻结在采样保持 或跟踪保持电路中， 就像在快速或流水线 模数转换器中使用的 那样，但是在跟踪 保持电路保存输入 信号之后，用于将 该电压转换为数字 代码的方法是不同的。 在该方法中， 模数转换器 以迭代方式 增加分辨率，每次迭代 增加一位的分辨率， 直到获取所需的位数。 使用了单个比较器， 但采用数模转换器 级以迭代方式 产生一系列阈值 电压。 第一个阈值 电压通过比较 输入电压是高于 还是低于中标度来确定 样本的最高有效位。 如果它高于中标度， 则最高有效位是 1， 并且数模转换器移至 下一个阈值电压， 该电压位于中标度 和满标度之间。 在获取所需的 位数之后，会输出 样本以及表示 转换结束的信号。 该方法的一个缺点是 最高转换速率受数模 转换器速度的 限制，并且必须 将比较器除以位 迭代次数。 因此，该架构 最常用于速度 和功耗相对较低 但分辨率较高的 模数转换器。 通常，实现 16 或 18 位甚至更多的位。 对于单个 流水线模数转换器， 最大采样率 将在很大程度上 受快速模数转换器 级稳定并使其输出 在半个时钟周期内 锁存的时间限制。 一种实现更高 采样率的常见 方法是使用多个并联的 模数转换器级并采用 延迟和交错的时钟。 该方法的优点 是对于给定的 工艺节点，可以 实现比单个模数转换器 高很多的采样率。 缺点包括需要 在不存在偏移 或振幅不匹配的 情况下将输入信号 分配到所有 交错式模数转换器中， 并且会增加 模拟输入信号 和时钟分配的 负载和分配 负担。 时钟或模拟信号分配 不匹配将导致 样本数据失真 和性能损失。 交错式模数转换器中的 误差源包括偏移 不匹配、振幅不匹配 和时钟相位不匹配。 通过在交错式子 模数转换器后面 对样本数据流 执行数字逻辑 运算，可以 相对容易地更正 偏移不匹配 和增益不匹配。 可以将数字逻辑 设计为通过每个 交错式子模数转换器 生成相对于样本数据的 偏移不匹配和/或增益 不匹配估计值。 然后，可以使用算术 逻辑实时从样本 数据中减去估算的 偏移误差。 同样地，可以 通过乘法逻辑 实时使用估算的 增益误差来补偿 样本数据。 相位误差补偿更难以 实时更正。 偏移误差是由于 设计中不同交错式 模数转换器核心的不同 直流失调电压所导致。 在该示例中， 红色的波形 是一个交错式 模数转换器 看到的波形， 而绿色的波形 是另一个交错式模数 转换器看到的波形。 对于未更正的 偏移误差，误差的 结果在理想 样本图形顶部 显示锯齿状 图形，使样本值 最终高于或 低于理想值。 在频域中，这往往 看起来像是生成的 FFT 频谱中的 毛刺，对于双向 交错，其频率为 奈奎斯特速率 或采样率除以 2， 对于四向交错，频率为 采样率的整数倍除以 4。 增益误差是由于 设计中不同交错式 模数转换器核心的不同 增益值而导致的。 在该示例中， 红色的波形 是一个交错式 模数转换器 看到的波形， 而绿色的波形 是另一个交错式模数 转换器看到的波形。 未更正的增益 误差也会与偏移 误差一样导致 在样本数据上 产生锯齿状的 图形，但不同 之处在于误差的 方向在跨过中标度 之后会颠倒。 在上面的示例中， 红色的波形增益 下降，在中标度 之上，样本低于 理想代码， 在中标度之下， 样本高于理想代码。 生成的频谱比简单偏移 误差的频谱 更复杂，并具有 取决于输入信号频率的 重复图像。 在所示的频谱草图中， 还显示了重复的输入 信号图像和重复的输入 信号二次谐波图像。 对于如何处理交错 系统中的不匹配情况， 提供了一系列选项。 对于需要更高 采样率但不太重视 性能的应用， 取决于路由 到模数转换器的 信号长度等外部因素的 交错可能就足够了。 为了在信噪比 或谐波性能 方面保持交流性能， 可能有必要执行 某种交错更正。 这通常需要 采用某种方法 来估算不匹配幅度， 然后对不匹配进行 某种更正。 可以在采样之前 对模拟信号应用 更正，也可以在转换后 以数字方式对样本数据 应用更正。 可以在最初时 执行一次估算功能， 在这种情况下 估算不能消除 温度等环境条件 漂移，除非 以特定的间隔 执行重新校准。 可以在模数转换器的 正常运行期间 在样本数据的 滑动窗口上 连续执行估算功能。 大多数用于 估算增益或 偏移不匹配的 估算算法的 一个缺点是， 对于采用的 估算算法，可能存在 效果很差的不合理 输入模式。 数模转换不仅仅是 模数转换的相反过程。 数模转换器的 最简单架构是 电流舵电路。 数模转换器可以将特定 大小的电流 导入/导出负载。 欧姆定律将该电流与 输出电压关联在一起。 在本示例中， 如果数模转换器的 满标度输出是 30 毫安并流入 50 欧姆的负载， 则满标度输出 电压是单端 1.5 伏，或者在 上一个示例中为 峰间值差分 3.0 伏。 电流舵数模转换器可以 是电流阱类型 或电流源类型。 差异在于数模 转换器电流源 是从 DAC 电源 通过负载电阻器 到达接地端， 还是从外部 上拉电源通过负载 电阻器，然后通过 数模转换器 灌入到接地端。 电流源数模转换器设计 通常针对电流源采用 P 沟道器件， 而电流同步 数模转换器 设计通常采用 N 沟道器件。 在任一种情况中， 考虑到流过负载 电阻器的电流大小， 输出电压由 欧姆定律决定。 无论是电流源 还是电流同步， 一种可行的 方法是将数模 转换器输出级 实施为电流 模式驱动器的 并联组合，与 邻近的驱动器 相比，每个驱动器的 电流容量是其 大小的一半或两倍。 在该简单的 3 位示例中， 最高有效位的 驱动器具有 500 微安的电流 容量，而下一位具有 250 微安容量， 最低有效位具有 125 微安的容量。 满标度输出时， 全部三个驱动器都处于 活动状态，从而得到 正/负 875 微安电流。 该方法的优点是，对于 N 位的分辨率， 只需要设计 N 个 输出驱动器 进行并行输出。 缺点是对于 较大的位数， 难以匹配输出驱动器， 因为最高有效位的 容差可能使用于 最低有效位的分辨率 容差无效。 除非保持从最高有效位 到最低有效位的正确 二次方容差，否则数模 转换器的 线性度会变差。 另一种解决数模转换器 电流输出问题的方法是 使输出驱动器在 电流容量方面相匹配。 在这种方法中， 更容易保持输出 驱动器的容差， 从而在一个驱动器与 下一个驱动器 之间实现良好的匹配， 但对于 N 位分辨率， 现在需要 2 的 N 次方 减 1 个输出驱动器。 所示的示例 3 位数模转换器 需要 7 个具有 相同电流容量的 输出驱动器。 满标度需要所有驱动器 都生效并且并联。 在这种情况下， 输入样本代码 会从算术码 转换为温度计码， 并且温度计码的每个位 都控制一个 单独的输出驱动器。 可以在该结构中的 输出驱动器上实现 更好的匹配， 但对于高分辨率样本， 要实现的驱动器数量 过多而让人难以承受。 14 位数模转换器 需要 16,535 个并联的 输出驱动器。 要实现分辨率 更高的数模转换器， 可以采用 二进制数模转换器 和温度计码 数模转换器的组合。 在该示例中， 6 位的数模 转换器可以使用 样本的最高三位来 控制温度计码 数模转换器，从而 仅需要七个并联的 匹配电流驱动器。 然后可以使用 最低 3 位来控制 另外三个大小 缩放了二的若干 次方的电流驱动器。 通过这种方法， 电流缩放匹配 只需具有 2 的 4 次方范围。 分辨率更高的 数模转换器， 例如 14 至 16 位，可以通过 该编码样式 组合来实现。 对于 16 位 数模转换器示例， 样本的最高六位转换为 一个 63 位温度计码， 以驱动 63 个 匹配的电流源。 同时，样本的 最低 10 位直接 用于驱动 10 个 经缩放的电流源， 这些电流源也与 63 个 匹配的电流源并联。 因此电流驱动器 总数为 73 个， 经缩放的二进制 电流驱动器匹配 必须在 2 的 11 次方范围内匹配良好。 即 10 个二进制驱动器 在 2 的 10 次方范围 内进行缩放， 但温度计码驱动器的 大小都是最大 比例驱动器的 两倍。 本视频到此结束。 谢谢观看。