管道ADC优缺点及工作原理

一、管道ADC简介

人们都习惯把管道ADC称为流水线ADC，流水线结 构中各模数转换级处于并行工作状态，提高了转换速率;如果要增加A/D转换的分辨率，只需在流水线结构级联更多的转换级，这样，芯片面积和功耗是随着分辨率的增加而线性增加的，与全并行结构相比，在高精度的应用中会明显地减少芯片面积和降低功耗;由于使用了输入采样保持电路，能精确地对高频信号进行采样，并且由于级间放大器的增益大于1，后级的非线性效应会被前级的增益所衰减;通过采用冗余自校正设计，可以把电路非理想因素对线性的影响减到最小。因此，它与其他高速结构相比更适合用于高分辨率ADC。

二、管道ADC优点

用到的器件数目与转换位数成正比，功耗得到了限制;

通过数字校正电路实现了较高的精度，但对所用到的功能电路的性能要求不高;

每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正。每一级具有各自独立的采样放大器，前一级电路的采保可以释放出来用子处理下一次的采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理;

速度更高，价格更低，设计时间更少，难度更小;

模拟信号要经过多级转换，但模拟信号之间为并行处理，可达到高的转换速度：

很少有比较器进入亚稳态，从根本上消除了火花码和温度计气泡。

三、管道ADC缺点

复杂的基准电路和偏置结构;

输入信号必须穿过数级电路，造成流水线延迟;

同步所有输出需要严格的锁存定时;

对工艺缺陷比较敏感，会影响增益非线性、失调以及其他参数;

与其他转换器相比，对印制线路板布线更敏感。

四、管道ADC基本原理

基本上，人们都习惯把管道ADC称为流水线ADC，因为，“流水线”更符合于他的原理。ADC的原理图如图所示：

流水线模数转换器也叫子区式模数转换器，它的每个子区具有独立的采样保持电路，形成流水线工作方式。当某一级子区的转换任务完成之后，会将电压余量传到下一级，同时该级子区对上一级传递过来的模拟值进行采样，因此，从整个转换过程来说是串行的，但是就每一步来说却是并行的，所以整个流水线的转换速率是由单级的最高速率所决定的，与流水线的级数无关。如图的流水线模数转换器的原理框图所示，每一级流水线结构都会包括一个采样/保持（Sample and Hold）电路、一个低精度子模数转换器（Sub-ADC），一个子数模转换器（Sub-DAC ）、一个模拟减法电路、还有一个增益电路。流水 线 模数转换器的数字部分一般是用来进行数字校正或是数字校准，当只有数字校正的时候，数字电路只需要一些延迟寄存器和进位全加器，而当采用数字校准技术的时候数字电路就很复杂了，其中会包括时序产生电路、误差系数RAM，累加器，有时还会需要乘法或除法器。

流水线模数转换器的第一级所需要的精度要求最高，也可以说它决定着整个流水线模数转换器的精度。在第一级之后的各级可以逐级减小精度要求而基本不会影响整体的精度。所以，流水线的各级尺寸通常会被设计成逐级减小形式，其目的是降低功率消耗和节省芯片面积。一般来说，流水线单级采用什么样的结构以及采用多少位数是根据总的位数及功耗、速度等要求来决定的。流水线各级的工作是在两相不交迭时钟的控制下完成的，当一级处于采样保持状态时，其相邻的两级就是增益放大状态，而当它处于增益放大状态时，其相邻两级就处于采样保持状态。
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