从ISSCC 2023看未来：Pipeline ADC在高性能ADC发展中扮演的角色


# 摘要
本文深入探讨了模拟数字转换器（ADC）特别是Pipeline ADC的基础知识、工作原理、设计与优化策略，以及在高性能ADC和实际应用中的应用实例。 Pipeline ADC因其高精度和高速度的特性在现代通信系统和测量仪器中发挥着重要作用。本文分析了Pipeline ADC的结构特点，探讨了其关键技术如采样保持电路设计、量化误差校正和时钟时序控制，并进一步讨论了设计实践中参数选择、功耗控制与性能优化的要点。同时，本文通过研究最新的创新趋势和ISSCC 2023中的技术亮点，对未来的行业发展和新兴技术的融合路径提出了展望。最后，通过实践案例分析了Pipeline ADC在特定应用领域的挑战与机遇，特别是与FPGA集成和工业物联网(IoT)中的应用。

# 关键字
模拟数字转换器；Pipeline ADC；采样保持电路；量化误差校正；时钟时序控制；高速数据采集系统

参考资源链接：[2023 ISSCC: 1.8GHz 12b Pre-Sampling Pipeline ADC with Reference Buffer & OP Power Relaxations](https://wenku.csdn.net/doc/43whv82hoo?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 模拟数字转换器（ADC）基础

在现代电子系统中，模拟数字转换器（ADC）是连接物理世界和数字世界的桥梁。它将模拟信号转换成数字信号，这对于计算机处理和分析信息至关重要。ADC广泛应用于音频处理、数据采集、图像扫描以及各种传感器接口。

## 1.1 模数转换的过程

ADC的转换过程通常包括采样、保持、量化和编码四个主要步骤。采样将连续时间信号转换为离散时间信号，保持是为了保证量化过程中的信号稳定，量化是将采样值映射到最近的离散值，编码则是将这些值转换为二进制格式。

## 1.2 ADC的分类与应用

根据转换原理和速度，ADC有多种类型，包括但不限于逐次逼近型（SAR）、双斜率型、Σ-Δ型等。不同的应用场景需要不同类型ADC，例如，便携式设备可能优先考虑功耗，而高速通信系统则可能需要高速ADC。

在接下来的章节中，我们将深入探讨这些转换器的工作原理，并进一步分析Pipeline ADC的高级结构和设计优化。

# 2. Pipeline ADC的工作原理

## 2.1 Pipeline ADC的结构概述

### 2.1.1 管道级的基本功能

Pipeline ADC（流水线模数转换器）是一种利用多级转换级联结构来实现高精度模数转换的技术。在每一级的流水线中，信号首先被采样并保持，接着进行低分辨率的ADC转换，然后通过一个数模转换器（DAC）将数字输出反馈并从原始信号中减去，以得到下一个流水线级需要转换的残差信号。这一过程可以重复多次，每级提高一定的位数，整个流水线的分辨率则为各级分辨率之和。

### 2.1.2 数据转换过程详解

在Pipeline ADC的数据转换过程中，首先是信号输入，然后通过采样保持电路（S/H）进行采样和保持。之后，数据进入第一级流水线进行低分辨率量化，得到的数字输出通过DAC转换为模拟信号后与原始信号进行差分，以产生下一级流水线处理所需的残差信号。随后，这个残差信号被放大并通过下一级的S/H电路，然后重复上述过程。多级流水线级联后，得到的数字输出被组合起来形成最终的高分辨率数字输出。

## 2.2 Pipeline ADC的关键技术

### 2.2.1 采样保持电路(S/H)设计

采样保持电路是ADC中的关键组件，负责在特定时刻对模拟信号进行采样，并保持采样值直到ADC完成转换。在Pipeline ADC中，S/H电路必须具备低功耗、高精度和快速采样速率的特点。一个精心设计的S/H电路能够在每个流水线阶段中提供稳定和准确的模拟信号，减少信号失真和噪声干扰。

### 2.2.2 量化误差与校正策略

量化误差是由于ADC只能表示有限数量的离散电平而产生的误差。在Pipeline ADC中，由于采用多级量化，量化误差会在各级累积。为了提高转换精度，必须采取有效的误差校正策略。通常，这涉及到在每一级使用校准技术，例如冗余位技术，将误差分配到后续级的冗余位中，然后在数字域中进行校正。

### 2.2.3 时钟和时序控制

时钟信号在Pipeline ADC中扮演着至关重要的角色，因为流水线级间的操作必须高度同步。精确的时钟同步可以确保数据在各级之间正确地传输，而不产生时序偏移。时钟信号通常通过精细调整的时钟分频器和延时锁定环（DLL）产生，以提供不同流水线阶段所需的精确时钟信号。时序控制还涉及到确定适当的采样时刻、保持时间和流水线级间数据传递的定时。

flowchart LR
    A[输入信号] -->|采样和保持| B(S/H)
    B --> C[第一级量化]
    C --> D[第一级DAC]
    D --> E[差分放大]
    E --> F[第二级S/H]
    F -->|...| G[下一级量化]
    G --> H[数字输出组合]

### 设计参数确定

在Pipeline ADC的设计中，参数的确定至关重要。这包括确定流水线的级数、每级的分辨率、采样频率、时钟频率、S/H电路的性能指标、以及数字和模拟部分的功耗预算等。设计参数的选择需要根据应用需求、性能目标和成本限制进行权衡。

### 功耗与性能的平衡

设计Pipeline ADC时，功耗是一个重要的考量因素。高功耗意味着更多的热产生和更高的能源消耗，这在许多应用中是不希望的。因此，设计师需要通过优化电路设计、降低工作电压、使用高效率的放大器和逻辑电路等方式，在不牺牲性能的前提下，尽可能地降低功耗。

上述内容提供了对Pipeline ADC工作原理和技术的概览，深入理解这些知识点对于设计和优化Pipeline ADC至关重要。在接下来的章节中，我们将讨论Pipeline ADC的设计与优化，并展示如何将这些原理应用于实际的高性能模数转换器设计中。

# 3. Pipeline ADC的设计与优化

## 3.1 Pipeline ADC设计要点

### 3.1.1 设计参数的确定

在设计Pipeline ADC时，确定正确的设计参数至关重要。设计参数不仅影响ADC的性能，还关系到其功耗和整体成本。主要的设计参数包括分辨率（位数）、采样率（MHz）、信噪比（SNR）、无杂散动态范围（SFDR）以及总谐波失真加噪声（THD+N）。此外，设计者还需要考虑芯片的尺寸、制造工艺以及封装形式。

以分辨率为例，位数越高，ADC能够分辨的模拟信号的细节就越多，但相应地也会提高设计复杂度和成本。采样率直接决定了ADC能够处理的信号的最高频率，过高会导致设计难度和功耗的增加。信噪比和无杂散动态范围则直接关联到ADC的信号质量和动态性能。总谐波失真加噪声是对ADC线性度和非线性失真的评估。

### 3.1.2 功耗与性能的平衡

在数字电路设计中，功耗始终是一个需要考虑的重要因素。对于Pipeline ADC而言，如何在保证高性能的同时降低功耗是设计的一大挑战。为了实现这一目标，设计者通常会采用以下几种策略：

1. **电路优化**：通过优化模拟电路部分，例如采用低功耗的放大器设计、减少开关电容负载等。
2. **数字校准技术**：采用数字后处理技术补偿模拟部分的非理想因素，从而减少对模拟电路精度的需求，进而降低功耗。
3. **电源管理**：在不牺牲性能的前提下，通过动态调整电源电压来降低功耗。

这些策略的目的是降低每个单元电路的功耗，减少整体芯片的能源消耗，同时不显著影响ADC的性能。

## 3.2 Pipeline ADC的创新设计案例

### 3.2.1 带有噪声抑制技术的设计

噪声是影响ADC性能的重要因素之一，特别是在高频应用中。为了抑制噪声，设计者们开发了多种技术，例如：

- **动态元件匹配（DEM）技术**：通过动态调整内部电路元件，减少由于元件不匹配导致的噪声。
- **相关双采样（CDS）技术**：通过两次采样信号和参考电压，之后取差值的方式减少随机噪声。

这些噪声抑制技术在提高ADC信噪比和动态范围方面发挥着关键作用。

### 3.2.2 多通道集成与应用场景

随着应用需求的多样化，多通道集成的Pipeli