改善開關瞬態非理想行為的A/D轉換電路的設計

朱葉

【摘 要】隨著計算機技術和數字信號處理技術的飛速發展，在自動控制，測量和通信等領域中越來越普遍的情況就是把系統中輸入進去的模擬信號轉化成數字信號再進行相關的處理。但是，有的時候又有相關的操作要求系統在輸出的時候要把已經處理過的數字信號轉換成對應的模擬信號。這樣，在模擬信號與數字信號之間，或在模擬信號與數字信號之間，需要有一個接口電路——A/D轉換器或D/A轉換器。在現今多媒體和通信技術的發展之中，得到大量應用的就是高精度A/D轉換器。比如直接數字頻率合成、高清晰度電視、無線通信系統信號發射等技術中都有高精度A/D轉換器的應用實例。在轉換的過程中要具有很好的動態性能指標這是高精度實用A/D轉換所必須要求的，對電路設計的要求也偏高。由于要求增加轉換精度和轉換速率，誤差也隨之增大，這就給轉換器的動態性能帶來了巨大的影響。在這一系列的誤差當中，影響最大的就是在開關的時候產生的瞬態非理想行為。本篇論文通過分析可能會影響到A/D轉換器動態性能的此項誤差和另外兩項誤差，根據分析提出了一種能夠有效地改善開關瞬態非理想行為的新型電流源開關。在新型電流源開關電路的前提之下，我們提出了實用A/D轉換電路的概念。

【關鍵詞】A/D轉換器；瞬態非理想行為；電流源開關；bit 數模轉換；CMOS；互補開關

The Design of the A/D Converter Circuit for Improving the Transient non Ideal Behavior of the Switch

ZHU Ye

（Xian Railway Vocational and Technical Institute， Xian Shaanxi 710014， China）

【Abstract】Along with the rapid development of computer technology and digital signal processing technology， the communication， measurement， automatic control and many other fields， to convert the input to the system of the analog signal to digital signal processing has been more and more prevalent. At the same time， and often require that the processing of digital signal is then converted to the corresponding analog signal， as the output of the system. Such， between analog signals and digital signals， or between analog signals and digital signals， need to have an interface circuit， d/a or a/d converter. The development of communication and multimedia technology high precision analog-to-digital converters to get a number of applications. Such as high definition television， direct digital frequency synthesis， wireless communication system signal emission and so on. High accuracy and practical analog-to-digital conversion requirement converter has good dynamic performance， also to the requirement of circuit design is on the high side. However， with the increase of conversion rate and conversion accuracy， dynamic performance is affected by the error more converter. One of the most important error is in the process of switch transient non-ideal behavior. In this paper， detailed analysis of the three kinds of error the effects on the dynamic performance da converter， and puts forward a new type of current source switch， effectively improve the switching transient non-ideal behavior. A new type of current source based on the proposed switching circuit， we put forward the concept of practical analog-to-digital conversion circuit.

【Key words】A/D converter； Transient non-ideal behavior； Current source switch； Bit d/a conversion； CMOS； Complementary switch

0 引言

在半導體技術的飛速發展的過程中，在音頻信號的處理中已經廣泛應用的一項技術就是A/D轉換器。數模轉換器作為一個接口，在模擬世界和數字世界中已經體現出其越來越不可替代的位置。時域上應用最多的就是A/D轉換器，就像在處理音頻信號和要求顯示器的高分辨率上。這些都推動了高分辨率A/D轉換器的發展。再發展中的數字調制技術，此領域也越來越多的應用了A/D轉換器。A/D轉換器已經成為了這些應用的發送機基帶，這就不能使相鄰信道的輸出信號中產生諧波。要求直流的精度達到要求已經不能滿足高速高精度A/D轉換器的研究了，更重要的是要在研究中達到動態性能的要求。本論文主要探討的是研究設計時鐘頻率、1十四位為100MHz的A/D轉換器。為了高位電流源，十四位精度采用后臺自校準技術的實現。在正常工作時給電流源就行測量使用的是高位電流源是浮置結構，所以就不用其他的來進行替換，這樣一來就能使電路設計的復雜度降低了下來。想要是由制造工藝產生的電流源偏差得到修正和使電流源可以輸出恒定的電流，這就要在后臺進行矯正。折疊結構是輸出級的輸出方式，使用折疊結構可以使輸出擺幅得到提高，也可以使得輸出電流進入負載前通過交叉耦合開關的輸出呈現出自歸零的形式，這樣就使得開關切換在輸出波形上的影響減小很多。時鐘負載結構是在數字輸出部分采用數據無關時使用的方式。這樣就能使得開關的數據是否變化，時鐘始終輸出的都是恒定的負載，進而是動態性能得到提高，使得時鐘抖動的發生減小了。

1 模數與數模

A/D轉換器就是能把模擬信號轉換成數字信號的電路其簡稱為A/D轉換器，D/A轉換器則說的是能把數字信號轉換成模擬信號的電路其簡稱為D/A轉換器，這兩種轉換器是在計算機應用中使用的接口電路中必不可少的兩種電路。進而出現的轉換數模的概念就是連續變化的模擬量被時間和幅值上的離散數字量轉化成。而轉換模數的概念就是一個橋梁，是一個把DAC事模擬量和數字量和連續變化的模擬量轉化為在時間和幅值上離散的數字量ADC的橋梁。在數字控制系統中占了很重要的地位的是數模轉換器和模數轉換器這兩種轉換器。抗干擾性更強的數字信號是經過數模轉換器由各種模擬信號轉換過來的。產生并且儲存的控制數字信號都可以直接被數字計算機處理。而控制被控對象的實現主要是通過模數轉換器的功能來使得控制數字信號轉換成模擬信號。

2 精度的轉化

數模轉換器的所使用的接口電路的配置和數模轉換器所使用的集成芯片的結構決定了數模轉換器的轉換精度。分辨率的大小指的就是數模轉換器的精度，當然這是在不考慮其他數模轉換器的誤差的情況下來規定的，因此只有選擇了有足夠分辨率的數模轉換器才能保證轉換器的精度。數模轉換器在使用的過程中，主要影響轉換精度的幾個原因有增益誤差、微分非線性誤差、失調誤差和非線性誤差的等幾個因素。

3 模數轉換的概念

模數轉換也被稱為數字—模擬轉換，它和數模轉換恰恰相反，是把像象原的灰階、電流和電壓等的連續模擬量轉換成離散數字量。就像是：在對圖像機型掃描以后形成的象原列陣，經過一定的轉換后用數字來表示每個象原的灰階亮度，構成的數字圖像就是經過模數轉換所得到的。平時最常用的有兩種轉換方式，一種是電子式的模數轉換方式，另一種就是機電式的模數轉換方式。這兩種方式經常被運用于遙感中對圖像的傳輸，經過轉換后以數字的形式來對圖像進行處理和貯存。例如：圖像的數字化等。對原始數字進行數字近似指的就是信號數字化，它的實現是通過一個模數轉換器和一個時鐘來運行的。表示原始信號的時候采用N-bit的數字信號代碼來量化指的就是數字近似的過程，以bit位為單位的量化，可以精細到1/2^N。模數轉換器的變換速率和信號波形的采樣速度是由時鐘信號來決定的。不可能同時達到兩種要求—高達1GHZ的采樣頻率和24bit的轉換精度。一般來說，裝置運行速度的快慢是由數字的位數來決定的。

4 總結

把輸入的所有的二進制數字信號轉換成相對應的模擬信號進行輸出，這是模數轉換器的主要功能。二進制權電阻網絡模數轉換器和T型電阻網絡模數轉換器是根據不同的基本工作原理來劃分的兩大類模數轉換器。最合適運用于集成工藝的是T型電阻網絡模數轉換器，因為這種轉換器僅僅要求兩種阻值的電阻就可以了，也正是由于這個原因這種電路結構被普遍地運用于集成模數轉換器。和模數轉換器的功能恰恰相反，把輸入的模擬信號轉換成與其對應的二進制再進行輸出，這是數模轉換器的功能。由于數模轉換器的功能特點和其種類有關，因此，以下介紹幾種不同數模轉換器的特點。第一種是并聯比較型數模轉換器，它的特點是轉換速度很快，但是由于其本身的特點會用到很多的比較器和觸發器，一旦提高了分辨率，相應的需要的元件的數量就要成倍成倍的增加。第二種是雙積分型數模轉換器，它的性能會比較穩定，轉換的精度也比較高，有著較簡單的電路結構，抗干擾的能力也是非常強的。但是這種轉換器有較低的工作速度，這就不能應付要求轉換速度快而且轉換精度高的工作。第三種是逐次逼近型數模轉換器，它的設計綜合了以上兩種的優點，排除了自身的一些缺點，其具有較快的轉換速度，較低的誤差和較高的分辨率，這些都讓其得到了廣泛普遍的應用。在這個數字技術飛速發展，計算機技術廣泛普及的社會中，數字計算機技術廣泛的被應用于現代控制、檢測和通信等領域，這樣就能大大的使得系統的性能指標得到提高。模數和數模轉換器給模擬信號和數字信號之間搭建起了一座橋梁，使得計算機可以先把作為模擬量的一些實際對象通過數模轉換器把模擬信號轉換成數字信號進行輸入，然后經過計算機的處理以后再通過模數轉換器，將處理好的數字信號轉換成模擬信號進行輸出。

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