流水线式分级ADC在高速应用中的主导地位

"ADC架构V：流水线式分级ADC" 本文主要介绍了流水线式分级ADC（Analog-to-Digital Converter）的架构及其在现代高速数据转换应用中的重要地位。相较于上世纪80年代和90年代流行的全并行Flash ADC，流水线式ADC在5 MSPS至10 MSPS以上的采样速率需求中占据了主导地位。尽管Flash ADC在某些特殊领域（如高功率砷化镓工艺应用，采样速率超过1 GHz，分辨率6或8位）仍有应用，但它们更多地被用作高分辨率流水线式ADC的一部分。 流水线式ADC的主要优点在于它能够利用较低成本的IC工艺，如CMOS和BiCMOS，实现高速度与高分辨率的结合。目前的技术已经可以支持在100 MSPS以上的采样速率下达到12至16位的分辨率，广泛应用在视频、图像处理、通信等多领域。 这种ADC的架构基于上世纪50年代的分级概念，旨在减少元件数量和功率消耗。基本的流水线式ADC由多个级联的子ADC（SADC）组成，每一级负责处理输入信号的一部分范围。图1展示了一个6位、二级的分级ADC示例，其中输入信号首先通过第一级的3位Flash SADC进行初步转换，然后通过3位SDAC将结果转化为模拟信号，再通过第二级的3位SADC处理剩余的3位，形成最终的6位输出。 分析流水线式ADC的性能时，关键在于残余信号的处理。理想情况下，残余波形应完全填充第二级ADC的输入范围，如图2A所示，以确保无失码。然而，实际操作中，尤其是在温度变化范围内维持多级之间的精确对准（如图2B所示的非理想情况）是一个挑战。这就需要各级SADC的精度远超其单独的位数，例如在N1=3，N2=3的情况下，总精度需优于6位。 总结来说，流水线式分级ADC通过级联多个低分辨率的转换器，实现了高分辨率和高速度的转换，成为现代高速ADC设计的首选方案。这种架构允许在有限的工艺技术条件下实现高性能，并且在复杂系统中提供灵活的解决方案。然而，它也带来了设计上的复杂性，尤其是在保证各级间精度和对准方面。