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读书笔记:根据应用选择合适的ADC结构(已更新)

读书笔记1:根据应用选择合适的ADC结构

 

 大多数ADC的应用能被划分为4种类型:1.数据采集;2.精密工业测量;3.音频;4.“高速”(暗示采样速率大于5MSPS)。

 

大多数这些应用都可以划分为3种ADC结构:1.逐次逼近型(SAR);2.∑-△型;3.流水线(pipelined)型。

 

这三种ADC结构的特点以及它们与应用之间的关系见图1。

 

 

 

1. 用于数据采集的SAR型ADC

 

原理如下:

 

假设X=45;

 

试验:

X>=32? Yes-> 保留32 -> 1
X>=(32+16)? No-> 放弃16 -> 0
X>=(32+8)? Yes-> 保留8 -> 1
X>=(32+8+4)? Yes-> 保留4 -> 1
X>=(32+8+4+2)? No-> 放弃2 -> 0
X>=(32+8+4+1)? Yes-> 保留1 -> 1

 

结果:X=32+8+4+1=45(10进制)=101101(二进制)

 

从上可以判断SAR结构的ADC可以迅速得到采样结果,没有延迟。因此,SAR型ADC适合用于single-shot, burst-mode, 和multiplexed的应用。

 

2.用于精密工业测量和仪表的∑-△型ADC

 

精密指高分辨率(16 bits 到24 bits)。

 

∑-△型ADC的基本原理见图6。通过过采样(使量化噪声位于信号带宽之外以后可被数字滤波器过滤)、噪声整形(利用∑-△调制器改变量化噪声的形状

,使更大部分的噪声位于信号带宽之外)、数字滤波和上采样(decimation,使输出数据速率还原到原始采样速率fs)。

 

 

 

 

 

 

 

在需要把非常小幅度的模拟信号变为高分辨率的数字信号的时候,一般使用仪表放大器+SAR DAC的形式,仪表放大器作用是抑制输入端大的共模信号(即,正输入端和负输入端之间相同的直流或者交流信号),SAR ADC和仪表放大器的放大倍数一起提供高的系统能测量的最小电压信号( ADC的精度=2n-1,其中n代表n bit ADC; 系统能测量的最小电压=ADC电源电压/(仪表放大器放大倍数*ADC的精度))。现在∑-△型ADC可以替换上面这种传统的仪表放大器+SAR DAC结构,但是由于∑-△型ADC比较复杂,可能开发周期比较长。

 

3.用于音频应用的∑-△型ADC

 

∑-△型ADC和DAC也常常用于更加苛刻的音频市场:FM立体声、计算机音频、立体声CD、DVD音频等。总谐波失真+噪声(THD+N)从60dB到100dB以上,采

样速率从48kSPS到192kSPS。

 

4.用于高速应用的流水线型ADC

 

今天高速ADC应用包括仪器仪表类的:数字示波器、频谱分析仪和医学成像;视频、雷达、通信(IF采样、软件无线电、基站、机顶盒等);消费电子:数字相机、显示电子、DCD、高清TV。

 

流水线型的ADC原理图见图15。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对于12 bit, 65 MSPS AD9235有7个时钟周期的流水线延迟。

 

对于反馈控制环路应用,流水线型ADC的延迟可能引起问题,如果采样速率在图1的重叠区域,可选用SAR型ADC。

对于多路复用应用,延迟也会造成问题。

但是如果应用的频率响应比建立时间更重要,那么延迟就不是一个真正的问题。

由于流水线型ADC使用外部采样时钟控制其内部定时,那么非常低的采样速率扩展保持时间,可能造成转换误差,因此,大多数流水线型的ADC规定了最小、最大采样速率。 

 

现在,流水线型的ADC已经具有14 bit分辨率,100MHz采样率,非常适合不仅要求高采样率还要求高SNR和高无杂散动态范围(SFDR)。

 

参考文献:

1.         Walt Kester, ADI公司《模拟对话》,2006年6月期,

2.         Walt Kester, Editor, Data Conversion Handbook, Published by Newnes, an imprint of Elsevier, 2005, ISBN: 0-7506-7841-0. See in particular Chapter 3, “Data Converter Architectures.” In addition to detailed discussions of the various ADC and DAC architectures themselves, the chapter also includes historical aspects.

3.         Walt Jung, Editor, Op Amp Applications Handbook, Published by Newnes, an imprint of Elsevier, 2005, ISBN: 0-7506-7844-5.

 

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