流水线ADC的介绍和使用方法详细说明

　　数转换器 （ADC） 将模拟世界连接到数字世界，因此是连接到现实世界的任何电子系统的基本部件。它们也是决定系统性能的关键因素。本系列文章探讨 ADC 的基础知识、各种 ADC 类型及其应用。第 1 部分讨论了 SAR ADC；第 2 部分讨论了三角积分 （ΔƩ） 转换器；本文为第 3 部分，将讨论流水线 ADC 的特性、特征和用法。第 4 部分将说明三角积分 ADC 如何生成超低噪声结果。 ADC 服务的一些应用包括超高速多载波蜂窝基础设施基站、电信、数字预校正观测和回程接收器等——所有这些应用逐渐都要求 ADC 在每秒千兆次采样区间内进行采样。该模拟基础知识系列的第 1 部分和第 2 部分分别讨论了逐次逼近寄存器 （SAR） 和三角积分 （ΔƩ） ADC，以及如何在相应应用中使用这些 ADC。不过，这两种技术都无法应对生成每秒千兆次采样 （GSPS） 结果的挑战。例如，SAR ADC 使用“快照”算法，由于采用串行方法，因此速度限制为不超过每秒 10 兆次采样 （MSPS）。当使用高分辨率 ΔƩ ADC 的过采样算法时，将需要额外的时间来采集多个样本并求平均，从而生成最高 5 兆赫兹 （MHz） 的 24 位输出数据速率。GSPS 速率远远超出了 SAR ADC 和 ΔƩ ADC 的采样频率范围。流水线 ADC 就是应对这一超高速 ADC 挑战的解决方案，能够在处理多个采样的同时，仍以 GSPS 的速度将数据发送至其输出端。本文先简要比较 ΔƩ、SAR 和流水线 ADC，接着讨论与实现高速转换器输出相关的问题，以及为什么流水线 ADC 是这类高速应用的理想替代品。然后介绍 Texas Instruments 的两款流水线 ADC，其中一款强调精度，另一款则强调高速度，最后介绍如何开始使用这些 ADC。

　　什么是流水线 ADC？

　　流水线 ADC 由多个连续的级组成。第一级采用差分结构，先评估最高有效位 （MSB） 的值，然后调节信号，并将其传递到下一级进行 MSB-1 转换。每个级都与其他级并行执行操作。

　　图 1：流水线拓扑具有多个级，分别执行多位转换器的一个位的转换，然后调节信号，并将信号传递到下一级。（图片来源： Texas Instruments）

　　在图 1 中，各级的功能相似，仅解析一位或两位。每个级都有采样保持、低分辨率闪速 ADC 和信号调节功能。第一级接收样本，并立即产生 MSB 决策。MSB 数字值进入第一个锁存器（锁存器 1）。如果 MSB 决策为 1，则该级将从样本中减去 MSB 值的电荷。然后，流水线转换器对剩余电荷应用 2 倍的增益倍数。当一个级完成其操作时，便将模拟差异传递到后续级。若设计采用 2 倍增益倍数，其优点在于，第 1 级至第 n 级基本上都是相同的电路。级数通常与 ADC 位数相匹配。最终转换输出会在输出锁存器中将每个级的数字结果组合起来。该转换过程会造成若干时钟周期的数据延时。