高速模数转换技术及其发展

谢 莉

（湖南人文科技学院物理与信息工程系 湖南 娄底 417000）

0 引言

随着数字技术的进一步发展，使得模数转换技术朝着高速、低功耗、高分辨率的方向发展，特别是在通信、高速数据采集系统、雷达等应用领域，对ADC的转换速度要求越来越高。

1 高速ADC的主要结构

1.1 并行结构

并行结构的ADC有全并行、内插式并行结构及两步式并行结构等。

图1 全并行ADC结构框图

全并行ADC的结构如图1所示，阻值相同的电阻R对Vref分压，为2n-1(n为ADC的分辨率)比较器提供参考电压，这2n-1参考电压分别与要输入信号Vin比较，产生2n-1个高低电平，也就是温度计码，解码电路对输入的温度计码进行解码得到n位二进制数。

全并行ADC的优点是转换速度高。由于全并行ADC只需一次比较就能将模拟信号转换成数字信号，因此是所有ADC中转换速度最快的，比较器的转换时间决定了其速度。目前，其转换速度最高达到40GHz。但是其芯片面积和功耗大，分辨率有限。这是因为，对于要实现n位数字信号，电阻和比较器的数目达到2n，因此面积和功耗大。其次，电阻匹配限制其参考电压特性，以及非线性输入电容大，使比较器的产生严重失调，因此其分辨率一般限制在8位以下。

由于全并行ADC前置放大器在转折电压具有较好的线性特性，通过电阻串，电流镜或电容等内插出全并行ADC所需的更多的参考电压。内插技术减少了前置放大器的数目，大大降低转换器的输入电容，降低了由于前置放大器的漂移而引入的微分非线性误差。但是通过内插技术实现的并行ADC，芯片面积仍然很大，功耗消耗也较大。

两步式ADC克服了全并行ADC由于比较器数量巨大而带来的问题，其结构框图如图2所示。这种ADC由两级子ADC、一个减法器和一个数模转换器（D/A）构成。将模拟信号转换成数字信号，它需要两步才能完成。第一步，输入信号通过采样保持电路（S/H）被ADC1量化成高位数据，然后通过D/A将这高位数据转换成模拟信号，并与S/H保持信号相减。第二步，余量送入ADC2，产生低位数据。两步式ADC得到高低位数字信号需要经过两次模数转换，因此其转换时间比全并行结构长，且需减法电路和D/A模块。但在同样的精度下，大大减少了比较器的数目，使得芯片面积和功耗大大降低。

图2 两步式ADC结构框图

1.2 折叠结构

折叠ADC如图3所示，模拟输入信号被分为两条并行路径。第一条路径首先经过预处理器进行预处理后，粗量化器将其量化为2N1个值。第二条路径通过一个折叠电路进行处理，将2N1个子区间全部映射到一个子区间上，然后将此模拟信号送到一个有2N2个子区间的细量化器中。比较器的总数为2N1-1加2N2-1，而具有同等分辨率的并行ADC需要2N1+N2-1个比较器。因此折叠式ADC的比较器数目小于全并行ADC，且其最快转换时间只需要一个时钟周期。但折叠式ADC因为没有采样保持，折叠输出的带宽是模拟带宽的数倍。

图3 折叠式ADC结构框图

1.3 时间交织结构

上述ADC的速度虽然很高，但转换时间最短也要一个时钟周期，而时间交织这种电路技术从根本上突破了这个极限，放宽了各个通道ADC的要求，并且部分解决了ADC系统中速度和分辨率之间的矛盾。图4为其原理框图，输入信号在时钟clk的控制下，依次被各个通道的ADC进行处理，在输出端依次输出各通道的数字信号。即使clk信号分成n个通道的时钟信号clkl、clk2…clkn，因此clk的频率是各通道时钟频率的n倍。

图4 时间交织ADC结构框图

因此，只要各通道的采样足够高，保证各ADC的准确性，时间交织结构的模数转换速度即为时钟clk的频率，远远超过了各个通道转换速度。但时间交织技术会产生通道增益、通道失调和时间的失配[1]。

2 高速ADC的发展及应用

新的结构和新的工艺技术，使得A/D转换器采样速率从几百kHz发展到上GHz甚至几十GHz超高速采样率，功耗也越来越低。如SiGe BiCMOS工艺、Inp/InGaAS工艺，采用高速ADC结构并采用这些新的工艺技术来实现，使得ADC的转换速度达到几十GHz[2]。这些高速ADC主要应用于医疗仪器、高数据采集系统、超宽带雷达、超宽带无线通信系统[3]等领域。

［1］艾伦.CMOS模拟集成电路设计:电二版.电子工业出版社，2005,3：557-570.

［2］Borokhovych,Y.，Gustat,H.4-bit,15 GS/s ADC in SiGe.NORCHIP 2008.2008:268-271.

［3］郝俊，孟桥，高彬.0.35μm CMOS 4位4Gsample/s全并行模数转换器设计.电子器件,2007，30(2)：403-406.