数模混合信号电路设计__ADC

t
否则， s < 2m ，抽样信 T1号s F的( j频)谱会S (出)现混叠。
F( j)
ss ()
FS ( j)
*

S
=


1 TS

m 0m
S
0 S

S m 0m S

FS ( j)
当 S 2m 时
1 TS
当 S 2m时
②数字信号— 计算机运算、处理的信息。
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模拟信号的数字化处理（ ADC基本过程）
x(t)
xa(t) xs(nΔt)
Y(n)
数字信
抗混叠 滤波器
幅度量化 采样(时间离散)
号输出
ADC包括两个过程：
1、采样（时间离散化） 2、量化（幅度离散化）
采样过程（时间离散化） 华侨大学IC设计中心
数字集成电路能够完成相当复杂的数字信号处理任务
数字信号处理技术具有更多的优势：便于传输、计算、存 储等优点.一般都采用把复杂的信号处理任务放在数字域来 完成，从而降低整个系统的设计难度、成本和功耗。
A/D和D/A是连接模拟和数字的桥
ADC/DAC
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常见的ADC
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则是最大值
DNL计算举例
理想3位ADC
LSB=0.1，VFS=0.8V
失调为0.02-0.05=-0.03V
表示为-0.03/0.1=-0.03LSB
满幅度误差为0.680.65=0.03V
静态性能指标
失调误差(Offset Error) :
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失调误差
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定义： 实测的转换曲
线第一个转折点处 的输入电压-1/2 LSB
转折点处的输入电压 1+3/4LSB
举例：失调误差的影响
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若12位的ADC，满刻度电压为2.5V，则
最小分辨率1LSB=2.5/4096=0.61mv;
常见的模数转换器结构
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精度
Over-Sampling apApSlrguoocxrciimtehsamstiiviocen,
FPIlnaipsteehrl,ipnFoeloaltdiningg
带宽
精度与速度的折衷
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在数据采集系统中存在两种信号：
信号 ①模拟信号— 被采集物理量的电信号。 种类
2n 1
Quantization Noise
Digital Output Code
111
110
1LSB
101
(a)
100
011
010
1LSB
001
000
0.5
(b)
0.0
vin
Vref
-0.5
1 2 3 45 6 7
8 8 8 88 8 8
量化器的量化误差在[0~ ± Δ/2]
之间变化
方差为：
2


2

D[(e(n) me )]

2
(e me )2
p(e)de

2 12
2
即量化噪声的功率
理想ADC的SNR
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若输入信号为峰－峰幅值等于2A（幅值为A）的正弦 信号，要使量化器不发生过载，则A的最大值为VFS/2， 输入信号的平均功率为：
例：采样时钟为6MHz，则用该时钟采样1MHz和7MHz的信 号结果一样，用该采样结果无法恢复出原始信号
混叠的频域解释
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混叠：nfsample finterference 的信号被折叠进fsample/2的信号带宽内
采样前：
采样后：
？
乃奎斯特采样定理：若fsample>2fsig_max，则不会发生混叠
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ADC性能指标
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ADC性能指标:静态性能指标和动态性能指标
？？
静态性能指标(Static Specifications)：静态参数主要表征 ADC在静态不变的测试环境下的性能表现，测试时所加 的测试信号在ADC转换时刻保持不变。有时又称为 DC性 能。
输出Y
111
110
101
100
011 -Vfs/2 x1 x2 x3
x4 x5 x6
010
Δ
001
Vfs/2 x7 输入X
000
表示能够分辨的最小输入模拟量
理想ADC位数与量化台阶数M的 关系： B log(2)(M 1)
3bit 则有7个量化台阶数
Vfs 2N
Dout _b (bN 1, bN 2 ,..., b1, b0 )
量化噪声
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假设量化误差为加性白噪声后，可以得到其统计参数： 均值m及方差σ2。均值m表示了量化噪声的直流分量，方 差σ2则表示了除去直流分量后，量化噪声的平均功率。
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如果量化噪声为白噪声，则其概率密度函数如 图 所示，其代数表达式为：
p(e) 1 0
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假定电路噪声<<量化噪声,则动态范围定义为
满幅度信号功率 DRmax 10 log10 量化噪声功率
也可以用电压来近似
满幅度信号电压幅值 DRmax 20 log10 最大量化噪声电压

20
log10
VFS
20 log10 2N
6.02N (dB)
由于实际噪声以及ADC的非理想特性，达不到最大的动态范围
微分非线性DNL
DNL定义： 实际码的宽度与1LSB
（）之差 方法：
1. 连接两个端点， 得出理想的转换 特性
2. 去除失调、满幅 度误差
3. 测DNL
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DNL的几点说明
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理想情况下，每个码相差，所以每个码处的DNL=0； 测DNL前，需要先消除失调和增益误差 DNL[k]是个向量，表示各个码处的DNL 测试时，通常需要报告每个码的DNL，若只给一个值，
DNL 实际码宽 理想码宽 (LSB) 1LSB
存在失码和非单调性时的DN华L侨大学IC设计中心
• 存在失码时，DNL为最小值-1（DNL不可能小于-1） 转换特性存在非单调性时：|DNL|>1
举例说明
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对于|DNL|<4LSB的16位ADC，只能相当 于14位无丢码ADC;
Psignal

A2 2
(2N1)2 2
Vfs 2N
则量化器理论上能得到的最大信号噪声 比为
SNRmax 10lg
A2 / 2 2 /12
10lg
3 22N 2
(6.02N 1.76)dB
量化器每增加一位，其SNR增加大约6dB。
ADC的动态范围
失调和满幅度误差的结合 华侨大学IC设计中心
失调、满幅度误差以及增 益误差很容易用后续的数 字信号处理消除，影响不 大 重要是的DNL和INL 测量INL和DNL时需要去 除失调和满幅度误差的影 响，所以连接实测的两个 端点代替理想的转换特性
静态性能指标
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微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) :理想 条件下， 模数器件相邻两个数据之间，模拟量的差值都是一样的。 但实际上，相邻两刻度之间的间距不可能都是相等的。 DNL定义为：相邻两个转换点之间的距离与理想值的 最大偏差。DNL的具体数值依赖于具体的输出码字， 如果不指定具体的码字而衡量整个模数转换器的微分非 线性误差指标，则所指为所有微分非线性误差中最大的 一个。
量化过程就是把模拟信号的连续幅值离 散化，用有限的数字去表示模拟信号幅 值的大小。量化过程是不可逆的，经过 量化得到的数字信号不可能不失真地恢 复到原来信号，它必定要引入一定的误 差，称之为量化误差或量化噪声。
冲激串抽样
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(1)
0频f从f(ts)率(t频)谱sf 图2(t)t根可mT，S 据(以t)频看m为域出F2TsfS(卷：(jTtS)积要的)0定使频TT2SS1(各理t谱2T)FS频：F( j(移jt)不)=的重s最叠S高T(S，频0) f抽sT(率St)样2T。S 3TS
动态性能指标：主要表征 ADC在动态变化的环境下的性 能表现，测试时所加测试信号是时间的函数，测试信号在 ADC转换时刻是变化的。
静态性能指标
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静态性能指标？：
失调误差 满幅度误差 增益误差 微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) 积分非线性(Integrated Nonlinearity, INL)
e

2
其它
P(e)
1

2
e
2
量化噪声概率密度函数
量化噪声en的概率密度函数（华P侨D大F学）IC设计中心
通常可认为量化噪声为[/2, /2]内的均匀分布
P(e)
1

2
e
2
p(e) 1 0
eΒιβλιοθήκη Baidu

2
其它
其均值为0： 2
me E[(e(n)] ep(e)de 0
量化误差的定义
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量化误差：模拟输入与数字输出经过理想DAC之后的 差值，
也称为余量电压或量化噪声
量化误差曲线
斜坡信号输入
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也称为余量曲线
正弦信号输入
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ADC一些基本概念 表示相邻的数字华输侨出大量学之I间C的设间计中心 隔，量化台阶
静态性能指标
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增益误差(Gain Error) :满量程误差减去失 调误差。
增益误差的影响
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对于12位ADC，若满量程输入电压时， 得到的转换输出为4050,而非理想的4096， 这说明有46LSB的负增益误差，这说明 高端的46码无法利用，减小了动态范围；
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数模混合信号集成电路设计 第三讲 ADC
华侨大学·电子与信息工程学院 电子工程系 杨骁 凌朝东
xiaoyanghqu@hqu.edu.cn
Analog-To-Digital
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自然所有的界物理量如声音、光、 温度等都是以模拟信号的 形式存在
随着现代集成电路器件尺寸不断减小，速度不断加快，集 成度不断提高，廉价、高速的数字集成电路大量出现,这些
0 m S


信号重建
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采样信号处理中的混叠现象（时域解释）
信号频率与采样时钟频率的关系
f f sample
signal
fsample 2 fsignal
f sample

3 4
f signal
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采样系统无法区分 fsignal 以及 n·fsample±fsignal 的信号
混叠现象的解决措施
抗混叠（anti-aliasing）滤波器
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若fsig_max=1/2(fsample)，极 限情况，则要求抗混叠 滤波器具有“砖墙”特 性
过采样可以降低滤波器 的要求！
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实际抗混叠滤波器特性
量化
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量化过程把模拟信号的连续幅值离散化， 用有限的数字去表示模拟信号幅值的大 小。量化过程是不可逆的，经过量化得 到的数字信号不可能不失真地恢复原信 号，它必定要引入量化误差或量化噪声。 根据量化过程中量化器的输入与输出的 关系，可分为均匀量化和非均匀量化， 大多数模数转换器采用均匀量化器。
采样过程即把连续时间离散化，这一过 程必须满足奈奎斯特采样定理，即采样 频率必须大于2倍的奈奎斯特频率。如果 不满足采样定理，采样过程就会产生信 号频谱的混叠。为了避免信号频谱的混 叠，信号在采样前必须通过一个抗混叠 滤波器，把信号变为一个带限信号。这 个过程可逆。
量化（幅度离散化）
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1、假设失调误差为+8mv=13LSB,为了得到 正确的结果必须每次转换后减去13LSB 作为补偿失调误差；实际上此时满量程 变为了2.5*（4096－13）/4096,输入范围 或动态范围减小了；但是精度没有变化；
满幅度误差
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定义： 实测的转换曲线最
后一个转折点处的输入 电压+1/2LSB与理想的 满幅度电压之差 转折点处5+3/4LSB
全并行Flash ADC 逐次逼近(Successive Approximation) ADC 流水线 (Pipelined) ADC 折叠 (Folding) ADC Sigma Delta ADC
两步型 (Two-Step Flash) ADC 内插型(Interpolating) ADC
算法(Algorithmic ) ADC