低電壓、低功耗高速A/D轉換器及其應用前景

2019-11-03 09:56:03

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供稿：網友

摘要

　　本文介紹設計工作在2.5V、獨立運作的A/D轉換器的設計思想。這種A/D轉換器是在新的A/D轉換結構及超大規模集成器件中廣為使用的CMOS技術的基礎上發展起來的。本文將介紹實現低電壓A/D轉換的一些設計技巧，著重討論這種器件對于應用開發的意義，最后介紹這類產品將來可能出現的進展。

如何從5V降到2.5V？

　　我們先來回顧一下歷史。A/D轉換器，尤其是高速A/D轉換器的結構，直到最近主要的仍是并行比較A/D轉換器，通常稱作Flash型A/D轉換器。這種轉換器需要很多比較器，輸入電壓同時與基準電壓經過分壓后的不同基準電平進行比較。比較器是并行比較A/D轉換器的核心部分。比較器的最好方案是類似于A類線性放大器的比較器。它的差動放大級的下部是一個恒流電路，差動放大器所帶動的是純電阻性負載，如圖1所示。在A/D轉換器中使用的比較器與線性放大器的區別在于時鐘信號的控制作用，在時鐘信號的控制下，線性放大功能切換到正反饋狀態。時鐘控制電路由幾個晶體管組成，它位于差分放大級的上方如圖2所示。

　　在供電電源方面，為了能夠正常運作，這個比較器的工作電壓是以下幾部分相加起來的結果：恒流產生器上的1V電壓降；主差分放大對管上的1V電壓降；以及完成時鐘切換功能的那對晶體管上不止1V的電壓降，等等。由于這個原因，這種結構的比較器，以及大多數高速雙極并行比較A/D轉換結構不適合用于設計低于2.5 V的A/D轉換器。同樣，它也限制了插值A/D轉換器的工作電壓，不能在電源電壓低于3.3V時正常工作。

自動調零CMOS反相器

　　實現比較器的一個完全不同的方案是所謂自動調零比較器。這種比較器由一個CMOS反相器組成，在時鐘信的控制下，它的輸入和輸出可以短路起來。當控制開關接通時，比較器把它自已鉗位在閾電壓Vth，通常稱之為自動調零電壓。如果把反饋切斷，那么比較器便成為一個高增益的不穩定放大器，于是電壓極為迅速變成地電位或者Vdd。

　　圖3是基本的比較器以及有關的電容器及采樣開關。這種電路適合于制造6位至8位、采樣率在幾十兆赫茲的范圍的A/D轉換器，工作在5V以下或者3.3.V，在用現代的CMOS工藝技術時甚至可以用于1.8V的A/D轉換器。

圖1 常見的比較器電路圖

圖2　比較器中的時鐘電路

圖3　CMOS比較器的基本電路

　　對于分辨率比較高、速度比較高的的A/D轉換器，自動調零比較器并不是一個適合的方案，原因是它消耗的功率很大，雖然它可以工作比較低的電源電壓。對于8位以上的A/D轉換器，需要用256個比較器來實現并行比較A/D轉換。而且，自動調零反相器消耗的功率是與采樣時鐘頻率成正比的。因此，對于10位至14位的低電壓、低功耗、高速A/D轉換器，需要尋找其它不同的方法。

流水結構A/D轉換器

　　最近推出的流水結構A/D轉換器使用七個電壓比較器，是加上同樣的那些采樣開關和電容，分辨率可以達到14位，它使用與現代的深亞微米技術，可以工作在很高的速度，而且功耗又很小。

　　與并行比較式A/D轉換器不同，流水結構A/D轉換器是在幾個時鐘周期的時間里，用順序比較的方法處理輸入信號，完成A/D轉換。輸入信號經過采樣之后，順序地沿著流水電路移動，一步一步地進行數字編碼，并實時地進行時間誤差校正。這種流水結構A/D轉換器中的每一級是由低分辨率的A/D轉換電路和D/A轉換電路、采樣保持器及增益為2n的電路組成。每一級的分辨率與級數之間需要權衡。在我們的例子中，選取分辨率為1.5位，這樣，可以放寬對比較器失調電壓的要求。我們選用一個增益為2.00的放大器。例如，TSA1002包含九級這種流水電路。整體精度為10位，等時間為5.5個時鐘周期。

對放大器的要求

　　流水結構A/D轉換器的主要組成部件是放大器。每一級都有一個放大倍數為2.0000的精密放大器，在剩余電壓移到下一級電路之前，把它放大2.0000倍。對于這個放大器的要求是很苛刻的，要求它的開環增益高于80dB，用于第一級的放大器的線性度要求12位至14位，過渡過程時間必須很快以便采樣率可以做得很高，而且，所有這些電路都是工作在2.5V，甚至1.8V的電源電壓。

　　圖4所示的串聯差動放大器電路經過了優化設計，以便達到所有這些要求。為此，對它做了詳細的仿真以便確定所有的晶體管、尺寸等。

圖4串聯差動放大器

封裝與噪音方面的問題

　　限制器件實現低功耗和低電壓的另外一個障礙是，噪音或者信號的完整性。在以前的產品都存在這個問題。但是當電源電壓很低時，這個問題就變得非常重要。事實上的確是如此，對于工作在2.5V的系統，在內阻上出現幾百毫伏電壓降落可能就占電源輸出電壓的十分之一。這是不可容忍的。因此，要在電路布置方面下功夫，控制這些因素。

　　封裝會影響低電壓A/D轉換器的性能，要細心選擇。引腳的數量、固定裸芯片安裝框架的電氣參數、引腳之間的交叉干擾，以及散熱，在決定用什么類型的封裝時，這些問題都應當考慮到。這是一個極為重要的問題。　　A/D轉換器的噪音主要是輸出緩沖器產生的。在采樣率很高時，噪音便限制了A/D轉換器的性能。一定要降低電流的峰值，封裝的寄生電感以及數字信號的擺幅。用LVDS可以得到令人滿意的結果，如果數字信號處理器（DSP）、或者微控制器采用這種接口作為標準的輸入的話。

測試結果

　　現在我們來看看這類2.5 V的A/D轉換器的若干測試結果。圖5a是TSA1002的ENOB（有效位數）、SINAD也就是S/(N+D)（信號與噪音加畸變之比）、以及SNR（信噪比）隨采樣頻率fS的變化，圖中采樣頻率從25MS/s改變到50MMS/s。可以看出，性能是很好的，在采樣頻率高達50MS/s時ENOB仍高于9.4、S/(N+D)受到輸出緩沖器的影響（請閱讀前面一段：封裝與噪音方面的問題），這個問題可以在輸出級用不同的定時及緩沖器來克服。如圖5b所示，在頻率從25MS/s到50MS/s之間，S/(N+D)平穩地下降，下降斜率不到-1dB/倍頻程，這反映了電路本身的性能。

圖5a TSA1002的性能隨采樣頻率fS的變化

圖5b　采樣頻率在25MS/s至50MS/s時TSA1002的性能

　　圖6的曲線是12位的TSA1201的仿真電流ICCA隨采樣頻率的變化。吸收的電流平均為0.73mA/MHz，最大為1.83mA/MHz。這是至今我們看到的產品中最低的。這個電流ICCA是用外面的電阻器RPOL設定，電阻的數值在1kΩ至200kΩ的范圍。

　　圖7是噪音的頻譜。可以看12位的TSA1204的噪音背景是很干凈的。噪音為-100dB（8192個樣本），SFDR為83dB。由于具有這樣的性能，可以用在WCDMA接收系統中或者超聲波成像系統這類產品中。

　　圖6　 TSA1201的功耗隨采樣頻率的變化

　　圖7 TSA1204的噪音頻譜（在采樣率為2MS/s，輸入頻率fIN = 10MHz時）

優點

　　在討論A/D 轉換器時，一個重要的參數是品質因子MF（Merit-factor），這是R.H. Walden提出來。品質因子定義為：

MF = 2(ENOB)×fS/功率

　　利用這個參數，可以從效率的角度，比較A/D轉換器的性能。它考慮到轉換速度，也就是采樣頻率fS，轉換的質量，也就是有效轉換位數，而有效轉換位數直接與器件的信噪比有關，同時也考慮到功率，也就是消耗的總功率。

對應用的影響

　　現在我們來討論使用深亞微米技術制造的A/D 轉換器對應用的影響。高速A/D轉換器受到的約朿主要與兩個方面的發展大勢有關。一是仿真世界與數字領域之間需要性能優異的A/D轉換器。二是要求產品的尺寸小、重量輕，一件產品中包含若干個功能相同的電路。因此，在設計印制電路板時，同一塊電路板上需要放上去更多的采集信道。所以，需要使用低功耗的器件以便能夠能夠成功地管理電源。

減少發熱/降低功耗

　　過去，A/D轉換器完全是用雙極工藝或BiCMOS工藝制造，改用深亞微米CMOS工藝制造部份地解決了這個問題。這些技術，一般是為了超高集成度的單片系統芯片而研制出來的，現在可以用來制造混合信號器件，例如A/D轉換器，它可以工作在較低的電壓，例如用0.25μm工藝制造的A/D轉換器工作在2.5V。大多數產品要求尺寸小、輕便，產品需要若干個相同的電路，這種新的A/D轉換器，功耗很低，可以滿足它們的要求。

速度/功耗

　　用0.25μm工藝，這些流水結構A/D轉換器的采樣頻率范圍很寬，可以從500kS/s直到高達100MS/s。這種A/D轉換器的功耗可以調節，因而可以用于多采樣速率的產品，也可以用于采樣速率固定但要求功耗很低的產品。

動態范圍

　　前面介紹的流水結構A/D轉換器對輸入范圍的限制也放寬了，它的輸入動態范圍與功耗較高的A/D轉換器是相似的。對于2.5V的A/D轉換器，輸入的動態范圍可以達到2.0VPP，如果使用外部基準電壓源，還能提高到2.5VPP。

　　使用超高集成度的工藝帶來的另外一方面問題是，要求低噪音環境。因此，越來越多的A/D轉換器是用差動輸入信號。最理想的是，在電信產品中，從射頻到數字信號，全部是用差動信號以降低噪音。大多數高速A/D轉換器采用差動信號，以改善性能（抑制噪音）。這個趨勢也與高速運算放大器有關，高速運算放大器用差動信號是為了正確地推動A/D轉換器。在數字領域，也是這樣。使用LVDS接口的D/A轉換器將來會得到廣泛的應用。

集成度及多路應用

　　這項工藝的其它優點是集成本身。今天的產品要求多路工作并加以優化。在調制發射方面，需要對I信道和Q信道同時進行采樣，現在可以用一塊芯片來實現，不必再使用兩塊芯片了。一只器件現在能夠完成兩個器件的功能，而性能是類似的，封裝的尺寸也是相當的。

　　醫用產品，例如超聲波掃描儀，需要處理大量的信號（256路采集信道），并且應當輕便。這就要求它的尺寸小、輕便，并且自成一個獨立的系統。這樣，就需要使用低電壓、低功耗的多信道A/D轉換器。現在的A/D轉換器結構和技術在這個領域大有用武之地。例如，TSA1203是雙信道A/D轉換器，分辨率為12位，采樣率最高達40MS/s；TSA1204是雙信道A/D轉換器，分辨率為12位，采樣率最高為20MS/s。這個性能與單路A/D轉換器相似。它們采用48腳TQFP封裝，與單路A/D轉換器是相同的。TSA1203和TSA1204的工作電壓為2.5V，總功耗很低，TSA1204工作在40MS/s時的總功耗是120mW，TSA1203工作在40MS/s時的功耗是200mW。TSA1203的線性度很好，工作在40MS/s時的INL指針是±1.5LSB，對于醫用成像設備是理想的A/D轉換器件；它的動態性能優異，在40MS/s時是-70dBc，能夠滿足許多電信應用的要求。

與DSP的接口

　　最后一點，也是很重要的一點，低電壓A/D轉換器的一個領人注目的優點是，數字器件現在通常與使用類似工藝、或者集成程更高的器件一起使用。DSP和存儲器，例如閃速存儲器，現在用0.18μm工藝制造，工作電壓為1.8V。這表示，用新一代的A/D轉換器，A/D轉換器（CMOS電平）與數字器件之間的接口電路可以很容易地實現。

結論

　　最近，A/D轉換器所用的技巧，例如流水結構A/D轉換器中所用方法，電壓較低、功耗較小。用0.25μmCMOS工藝制造的TSAXXXX系列是工作在2.5V。然而，用類似的方法，用下一0.18μm工藝制造的A/D轉換器將工作在1.8V。

　　現在要求電子產品的工作電壓更低，功耗更小。而這些是與高集成度及高效率戚戚相關的。今后的發展將會證明這個論斷。

　　基于我們的經驗，當電源電壓高于1.2V時，并沒有很大問題。在1.2V時，就需要很細心地處理每一個細節。放大器的工作點，信噪比，這些都是很難對付的問題。低于1.2V的電源，就需要考慮結構，否則速度會降低，會增大面積。SNR也是限制性能的一個因素，因為輸入動態范圍降低了。在品質因子方面，在低于1.2V時，它不會隨著電源壓的降低而改變的。許多設計仿真及混合信號電路的設計人員認為，對于仿真器件，1.2V是最低的了。

　　隨著工藝尺寸的縮小，功耗會減少，集成度會提高，數字電路的電源電壓會繼續降低，但是仿真電路的電源則會維持在一個便于處理的電平，設計人員可以利用這點改善晶體管的速度，仿真電路的集成越來越多地取決于無源組件，例如電容器和電感器。

摘自《電子設計技術》

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