閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也稱(chēng)為并行ADC，是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的最快方法。閃存ADC適用于需要超大帶寬的應(yīng)用。但是，這些轉(zhuǎn)換器消耗相當(dāng)大的功率，分辨率相對(duì)較低，并且可能非常昂貴。這限制了它們通常無(wú)法以其他方式解決的高頻應(yīng)用。典型示例包括數(shù)據(jù)采集、衛(wèi)星通信、雷達(dá)處理、采樣示波器和高密度磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。

建筑細(xì)節(jié)

閃存ADC由級(jí)聯(lián)高速比較器組成。圖1所示為典型的閃存ADC框圖。對(duì)于N位轉(zhuǎn)換器，電路采用2N-1 個(gè)比較器。電阻分壓器，帶 2N電阻提供基準(zhǔn)電壓。每個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓比其正下方比較器的基準(zhǔn)電壓大一個(gè)最小有效位（LSB）。當(dāng)每個(gè)比較器的模擬輸入電壓高于施加在其上的基準(zhǔn)電壓時(shí)，每個(gè)比較器產(chǎn)生1。否則，比較器輸出為0。因此，如果模擬輸入在V之間X4和 VX5、比較器 X1通過(guò) X4產(chǎn)生1s，其余比較器產(chǎn)生0s。代碼從 <> 變?yōu)?<> 的點(diǎn)是輸入信號(hào)小于相應(yīng)比較器基準(zhǔn)電壓電平的點(diǎn)。

圖1.閃存 ADC 架構(gòu)。如果模擬輸入介于 V 之間X4和 VX5、比較器 X1通過(guò) X4產(chǎn)生1s，其余比較器產(chǎn)生0s。

這種體系結(jié)構(gòu)稱(chēng)為溫度計(jì)代碼編碼。之所以使用這個(gè)名稱(chēng)，是因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)類(lèi)似于水銀溫度計(jì)，其中汞柱始終上升到適當(dāng)?shù)臏囟龋⑶以谠摐囟纫陨喜淮嬖诠Ｈ缓髮囟扔?jì)代碼解碼為適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸出代碼。

比較器通常是寬帶低增益級(jí)級(jí)的級(jí)聯(lián)。它們是低增益的，因?yàn)樵诟哳l下很難同時(shí)獲得寬帶寬和高增益。比較器設(shè)計(jì)用于低壓失調(diào)，因此每個(gè)比較器的輸入失調(diào)小于A(yíng)DC的LSB。否則，比較器的失調(diào)可能會(huì)錯(cuò)誤地使比較器跳閘，導(dǎo)致數(shù)字輸出代碼不代表溫度計(jì)代碼。每個(gè)比較器輸出端的再生鎖存器存儲(chǔ)結(jié)果。鎖存器具有正反饋，因此最終狀態(tài)被強(qiáng)制為 1 或 0。

鑒于這些基礎(chǔ)知識(shí)，需要進(jìn)行一些調(diào)整來(lái)優(yōu)化閃存轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

閃光代碼

通常，比較器輸出將是溫度計(jì)代碼，例如00011111。錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似00010111的輸出，這意味著結(jié)果中存在虛假零。這種亂序0稱(chēng)為閃光，這是由不完美的輸入建立或比較器時(shí)序不匹配引起的。誤差的大小可能非常大。MAX109/MAX104等現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器在A(yíng)DC前面采用輸入采樣保持以及抑制閃爍碼的編碼技術(shù)。

亞穩(wěn)態(tài)

當(dāng)比較器的數(shù)字輸出不明確（既不是1也不是0）時(shí)，輸出定義為亞穩(wěn)態(tài)。通過(guò)留出更多再生時(shí)間可以降低亞穩(wěn)態(tài)。格雷碼編碼一次只允許輸出中的1位變化，可以大大提高亞穩(wěn)定性。.因此，比較器輸出首先轉(zhuǎn)換為格雷碼編碼，然后根據(jù)需要解碼為二進(jìn)制。

當(dāng)亞穩(wěn)輸出驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的電路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)題。一個(gè)電路可以將輸入聲明為1，而另一個(gè)電路認(rèn)為輸入為0。這可能會(huì)產(chǎn)生重大錯(cuò)誤。為了避免這種沖突，只有一個(gè)電路應(yīng)檢測(cè)潛在的可測(cè)量輸出。

輸入信號(hào)頻率依賴(lài)性

當(dāng)輸入信號(hào)在所有比較器完成其任務(wù)之前發(fā)生變化時(shí)，ADC的性能會(huì)受到不利影響。最嚴(yán)重的影響是隨著模擬輸入頻率的增加，信噪比（SNR）加失真（SINAD）下降。

測(cè)量無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）是觀(guān)察轉(zhuǎn)換器性能的另一種好方法。ADC實(shí)現(xiàn)的“有效位”是輸入頻率的函數(shù);通過(guò)在A(yíng)DC前面增加一個(gè)采樣保持（T/H）電路，可以對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。T/H電路允許顯著改善，特別是當(dāng)輸入頻率接近奈奎斯特頻率時(shí)，如圖2所示（取自MAX104數(shù)據(jù)資料）。沒(méi)有 T/H 的零件在 SFDR 中顯示出顯著下降。

圖2.無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍與輸入頻率的函數(shù)關(guān)系。

時(shí)鐘抖動(dòng)

當(dāng)采樣時(shí)鐘中存在抖動(dòng)時(shí)，SNR會(huì)降低。對(duì)于高模擬輸入頻率，這一點(diǎn)變得很明顯。為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，為ADC提供低抖動(dòng)采樣時(shí)鐘源至關(guān)重要。

架構(gòu)權(quán)衡

ADC可以通過(guò)采用各種架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些替代方案之間的主要權(quán)衡是：

完成轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間（轉(zhuǎn)換時(shí)間）。對(duì)于閃存轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間不會(huì)隨著分辨率的提高而發(fā)生重大變化。然而，逐次逼近寄存器（SAR）或流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間隨著分辨率的提高而近似線(xiàn)性增加（圖3a）。對(duì)于集成ADC，分辨率每提高一位，轉(zhuǎn)換時(shí)間就會(huì)翻倍。

電路中的元件匹配要求。閃存ADC組件匹配通常將分辨率限制在8位左右。校準(zhǔn)和調(diào)整有時(shí)用于改善芯片上可用的匹配。組件匹配要求隨著分辨率的提高而翻倍。此模式適用于閃存、逐次逼近或流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器，但不適用于集成轉(zhuǎn)換器。對(duì)于集成轉(zhuǎn)換器，元件匹配不會(huì)隨著分辨率的提高而大幅增加（圖 3b）。

芯片尺寸、成本和功耗。對(duì)于閃存轉(zhuǎn)換器，分辨率每提高一位，ADC內(nèi)核電路的尺寸就會(huì)增加一倍。功率也翻了一番。相比之下，SAR、流水線(xiàn)或Σ-Δ型ADC芯片尺寸將隨著分辨率的提高而線(xiàn)性增加;積分轉(zhuǎn)換器內(nèi)核芯片尺寸不會(huì)隨著分辨率的增加而發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化（圖 3c）。最后，眾所周知，芯片尺寸的增加會(huì)增加成本。

圖3.架構(gòu)權(quán)衡。

閃存 ADC 與其他 ADC 架構(gòu)的比較

閃存 ADC 與 SAR ADC

在SAR轉(zhuǎn)換器中，單個(gè)高速、高精度比較器確定位，一次確定一位（從MSB到LSB）。這是通過(guò)將模擬輸入與DAC進(jìn)行比較來(lái)完成的，DAC的輸出由先前確定的位更新，從而連續(xù)接近模擬輸入。SAR的這種串行特性將其速度限制在不超過(guò)每秒幾兆采樣（Msps），而閃存ADC則超過(guò)每秒千兆采樣（Gsps）轉(zhuǎn)換速率。

SAR 轉(zhuǎn)換器的分辨率高達(dá) 16 位。這種器件的一個(gè)例子是MAX1132。閃存ADC通常限制在8位左右。較慢的速度也使SAR ADC的功耗低得多。例如，MAX1106是一款8位SAR轉(zhuǎn)換器，在100.3V時(shí)功耗為3μA，轉(zhuǎn)換速率為25ksps。MAX104的功耗為5.25W，功耗比MAX16高約000，1106倍，最大采樣速率快40，000倍。

SAR 架構(gòu)也更便宜。1106k產(chǎn)量的MAX1售價(jià)超過(guò)一美元（美元），而MAX104的售價(jià)為幾百美元（美國(guó)）。閃存轉(zhuǎn)換器的封裝尺寸更大。除了更大的芯片尺寸需要更大的封裝外，封裝還需要消耗相當(dāng)大的功率，并且需要許多引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)電源和接地信號(hào)完整性。MAX104的封裝尺寸是MAX50的1106倍以上。

閃存 ADC 與流水線(xiàn) ADC

流水線(xiàn)ADC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每級(jí)同時(shí)處理一到幾位連續(xù)采樣。這種設(shè)計(jì)以功耗和延遲為代價(jià)提高了速度，但每個(gè)流水線(xiàn)級(jí)都比閃存部分慢得多。流水線(xiàn)ADC要求DAC和級(jí)間放大器進(jìn)行精確放大，這些級(jí)必須穩(wěn)定到所需的線(xiàn)性度電平。相比之下，在閃存ADC中，比較器只需要低失調(diào)，并將其輸入解析為數(shù)字電平;不涉及線(xiàn)性建立時(shí)間。一些閃存轉(zhuǎn)換器需要前置放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)比較器。需要仔細(xì)指定增益線(xiàn)性度。

流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器在 100 至 8 位分辨率下以大約 14Msps 的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)例子是MAX1449，這是一款105MHz、10位ADC。對(duì)于給定的分辨率，流水線(xiàn)ADC比類(lèi)似分辨率的閃存轉(zhuǎn)換器慢約10倍。流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換器可能是需要以高達(dá)100Msps左右的速率采樣、分辨率為10位及以上的ADC的最佳架構(gòu)。對(duì)于高達(dá)10位的分辨率和幾百M(fèi)sps以上的轉(zhuǎn)換速率，閃存ADC占主導(dǎo)地位。

有趣的是，在某些情況下，閃存ADC隱藏在采用另一種架構(gòu)以提高其速度的轉(zhuǎn)換器內(nèi)。

閃存與集成式ADC

單斜率、雙斜率和多斜率ADC可實(shí)現(xiàn)16位或更高的高分辨率，價(jià)格相對(duì)便宜，功耗也更小。這些器件支持非常低的轉(zhuǎn)換速率，通常每秒不到幾百個(gè)樣本。大多數(shù)應(yīng)用用于監(jiān)測(cè)儀器儀表和工業(yè)市場(chǎng)中的直流信號(hào)。這種架構(gòu)與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器競(jìng)爭(zhēng)。

閃存與Σ-Δ型ADC

閃存ADC不與Σ-Δ架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槟壳翱蓪?shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換速率相差多達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Σ-Δ 架構(gòu)適用于帶寬低得多（通常小于 1MHz）且分辨率在 12 至 24 位范圍內(nèi)的應(yīng)用。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器能夠在A(yíng)DC中實(shí)現(xiàn)盡可能高的分辨率。它們需要更簡(jiǎn)單的抗混疊濾波器（如果需要）來(lái)在轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶寬限制。

Σ-Δ型ADC通過(guò)過(guò)采樣來(lái)?yè)Q取速度分辨率，然后進(jìn)行濾波以降低噪聲。然而，這些器件對(duì)于多通道應(yīng)用并不總是有效的。此架構(gòu)可以使用采樣數(shù)據(jù)濾波器（也稱(chēng)為調(diào)制器或連續(xù)時(shí)間濾波器）來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于更高的頻率轉(zhuǎn)換速率，連續(xù)時(shí)間架構(gòu)有可能以6至8位的低分辨率達(dá)到數(shù)百M(fèi)sps范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換速率。這種方法仍處于早期研發(fā)階段，與較低轉(zhuǎn)化率范圍內(nèi)的閃存替代品競(jìng)爭(zhēng)。

閃存ADC的另一個(gè)有趣用途是作為Σ-Δ電路內(nèi)的構(gòu)建模塊，以提高ADC的轉(zhuǎn)換速率。

子范圍模數(shù)轉(zhuǎn)換器

當(dāng)需要更高分辨率的轉(zhuǎn)換器或更小的芯片尺寸和功率以獲得給定分辨率時(shí)，采用多級(jí)轉(zhuǎn)換。這種架構(gòu)稱(chēng)為子范圍轉(zhuǎn)換器，有時(shí)也稱(chēng)為多步或半閃存轉(zhuǎn)換器。這種方法結(jié)合了逐次逼近和閃存架構(gòu)的思想。

子范圍ADC減少了要轉(zhuǎn)換為較小組的位數(shù)，然后通過(guò)較低分辨率的閃存轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。與閃存轉(zhuǎn)換器相比，這種方法減少了比較器的數(shù)量，并降低了邏輯復(fù)雜性（圖 4）。與閃存相比，這種權(quán)衡導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速度較慢。

圖4.子范圍 ADC 架構(gòu)。

MAX153為8位、1Msps ADC，采用子量程架構(gòu)。該電路采用兩步技術(shù)。首先，使用4位轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生殘差，其中8位精度DAC將4位轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。從輸入信號(hào)中減去模擬信號(hào)。其次，該殘余再次由4位ADC轉(zhuǎn)換，并將第一遍和第二遍的結(jié)果組合在一起，提供8位數(shù)字輸出。

工藝技術(shù)

閃存轉(zhuǎn)換器的速度目前超過(guò)1Gsps。 2.2Gbps MAX109采用先進(jìn)的SiGE工藝制造。MAX108 （1.5Gsps）、MAX104 （1Gsps）和MAX106 （600Msps）8位ADC采用Maxim專(zhuān)有的先進(jìn)GST-2雙極性工藝（“千兆”速度硅雙極性工藝）制造。

與雙極性技術(shù)產(chǎn)品相比，CMOS閃存轉(zhuǎn)換器的分辨率較低。這些ADC通常用于集成到更大的CMOS電路中。CMOS、BiCMOS和雙極技術(shù)將繼續(xù)改進(jìn)，產(chǎn)生越來(lái)越高的轉(zhuǎn)化率。

結(jié)論

對(duì)于要求中等分辨率（通常高達(dá)8位）且采樣頻率高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的應(yīng)用，閃存架構(gòu)可能是唯一可行的替代方案。用戶(hù)必須提供低抖動(dòng)時(shí)鐘，以確保良好的ADC性能。對(duì)于具有高模擬輸入頻率的應(yīng)用，所選的ADC應(yīng)具有內(nèi)部采樣保持功能。

審核編輯：郭婷