彭新芒，楊銀堂，朱樟明

引言

A／D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期以來(lái)一直被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、聲納、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、測(cè)控系統(tǒng)、醫(yī)療、儀器儀表、圖像和音頻等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)和通信產(chǎn)、世的迅猛發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了A／D轉(zhuǎn)換器在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用并使其有了長(zhǎng)足進(jìn)步，A／D轉(zhuǎn)換器正逐步向高速、高精度和低功耗的方向發(fā)展。

目前市場(chǎng)上占統(tǒng)治地位的A／D轉(zhuǎn)換器主要是：逐次逼近式、∑-△式、流水線式。∑-△式可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率，流水線式可以保證很高的采樣速率，這兩種體系結(jié)構(gòu)都是為了滿(mǎn)足某種特定需求的縱向市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的，而逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器在速度、精度、功耗和價(jià)格方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，因此本文串行輸出A／D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近式結(jié)構(gòu)。

逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器是采樣速率低于5 MSPS(百萬(wàn)次采樣每秒)的中高分辨率應(yīng)用的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，其分辨率一般為8位～16位，具有低功耗、小尺寸等特點(diǎn)，因而具有較寬的應(yīng)用范圍，如便攜式／電池供電儀表、筆輸入量化器、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)／信號(hào)采集器等。顧名思義，逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法，內(nèi)部電路可以運(yùn)行在幾MHz，A／D轉(zhuǎn)換器采樣速率是該數(shù)值的分?jǐn)?shù)，主要由逐次逼近算法確定。

本文基于上華0.6μm BiCMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)8通道12位串行輸出A／D轉(zhuǎn)換器，其核心電路采用逐次逼近式結(jié)構(gòu)，并在總結(jié)改進(jìn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用電壓定標(biāo)和電荷定標(biāo)的復(fù)合式D／A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，這種“5+4+3”分段式復(fù)合結(jié)構(gòu)既避免了大電容引入的匹配性問(wèn)題，而且電阻的引入減小了電路本身的線性誤差；比較器的實(shí)現(xiàn)采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的放大器結(jié)構(gòu)，降低了沒(méi)計(jì)復(fù)雜度。最后，基于CSMC 0.6μm BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)了整體版圖設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路實(shí)現(xiàn)

逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)電路如圖1所示，主要由采樣保持電路、比較器、D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器和邏輯控制單元5部分組成。

轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對(duì)分原理，由控制邏輯電路完成的。其工作過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換后，控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其他位置0，將其存儲(chǔ)到逐次逼近寄存器，然后經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后得到約為滿(mǎn)量程輸出一半的電壓值。這個(gè)電壓值在比較器中與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。比較器的輸出反饋到D／A轉(zhuǎn)換器，并在下一次比較前對(duì)其進(jìn)行修正。即輸入信號(hào)的取樣值與D／A轉(zhuǎn)換器的初始輸出值相減，余差被比較器量化，量化值再來(lái)指導(dǎo)控制邏輯是增加還是減少D／A轉(zhuǎn)換器的輸出；然后，這個(gè)新的D／A轉(zhuǎn)換器輸出值再次從輸入取樣值中被減去，不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直至其精度達(dá)到要求為止。由此可見(jiàn)，這種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變始終處于邏輯控制電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，逐次逼近寄存器不斷進(jìn)行比較和移位操作，直到完成LSB(最低有效位)的轉(zhuǎn)換。這時(shí)逐次逼近寄存器的各位值均已確定，逐次逼近轉(zhuǎn)換完成。

由于本次設(shè)計(jì)針對(duì)是串行的多路通道轉(zhuǎn)換技術(shù)，所以在逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在模擬輸入前端加入多路復(fù)用模塊，并在輸出后端加入并串轉(zhuǎn)換電路。

整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速精確轉(zhuǎn)換，逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器中重要部件是采樣保持電路、比較器和D／A轉(zhuǎn)換器。等效輸入電路如圖3所示。

在數(shù)據(jù)獲取期間，被選信道作為輸入給電容C保持充電，獲取時(shí)間結(jié)束后，T／H開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電荷維持在C保持上作為信號(hào)樣本，與D／A轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果輸人輸出寄存器，在三態(tài)總線控制下串行輸出最后數(shù)字位。其中比較器的實(shí)現(xiàn)采用三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣就降低了比較器的設(shè)計(jì)要求，減小了設(shè)計(jì)難度，提高了電路性能。下面介紹D／A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率主要受反饋電路中D／A轉(zhuǎn)換器的速度、分辨率和線性的限制，精確設(shè)計(jì)D／A轉(zhuǎn)換器是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和關(guān)鍵。傳統(tǒng)的逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器大多采用簡(jiǎn)單的電阻分壓式或