新型流水线实现高速低功耗ADC的原理及方法

　　1 MAX1200的特点功能

　　新型ADC正在朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展，新型流水线结构正是实现高速低功耗ADC的有效方法。而MAX1200则是采用这一新技术的高速、高精度、低功耗ADC的代表。

　　MAX1200是一种16位、采样率可达1Msps的单片集成模数转换器，其内部的CMOS积分电路采用全差分多级流水线结构，它具有快速的数字误差校正和自校准功能，能保证在全采样率时具有16位的线性度和91dB的非杂散动态范围（SFDR），以及良好的信噪比（SNR）和谐波失真（THD）特性。MAX1200主要应用于高分辨率图象系统、扫描仪、数字通讯、检测仪表和数据接收等领域；其主要技术特点如下：

　　●采用单电源＋5V供电；

　　●采用±VREF差分输入，正向参考电压RFPF由外部＋4．906V电压基准提供，负向参考电压RFNF接至模拟地；

　　●在输入信号为100kHz时，其信噪比为87dB；

　　●在输入信号为100kHz时的非杂散动态范围为91dB；

　　●在1Msps速率和＋5V供电时，其器件功耗为273mW；

　　●具有±0．5LSB的差分非线性误差；

　　●采用三态、二进制补码输出；

　　●具有快速、可控自校准功能；

　　●采用44脚MQFP封装，表1为其功能说明。

　　2 工作原理

　　流水线型（pipeline）ADC又称为子区式ADC，它由级联的若干级电路组成，每一级包括一个采样／保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。其快速精确的n位转换器是由分为两段以上的子区（流水线）来完成。每级电路的采样／保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率的粗A／D转换器来对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器（MDAC）来产生一个对应于量化结果的模拟电平并送至求和电路，然后由求和电路从输入信号中减掉此模拟电平，并将差值精确放大到某一固定增益后送交下一级电路进行处理。经过这样各级的处理后，再由一个较高精度的K位细A／D转换器对残余信号进行转换。最后将上述各级粗、细A／D的输出组合起来以构成高精度的n位输出。应当注意的是：这些操作必须满足以下不等式以便纠正重叠错误：

　　l m＋k＞n

　　其中，l为级数，m为各级中ADC的粗分辨率，k为精细ADC的细分辨率，而n则是流水线ADC的总分辨率。图1所示为MAX1200的4级流水线ADC的原理图及每级的内部结构图，其中m＝8，l＝4，n＝16。由于采用的开关电容流水线结构中存在着开关电容之间的失配问题，所以整个电路的精度由校正和校准逻辑来控制。流水线结构的4个采样过程在输入信号被采样和数据输出到D51－D0之间将引入一个等待时间，也就是流水线延迟。但是在连续采样的情况下可以获得连续的输出。图2所示为其数据输出时序图。

　　

　　

　　

　　

　　3 MAX1200与DSP的接口电路

　　美国TI公司的DSP芯片TMS320F206（以下简称F206）是一种低价格、高性能的16位定点DSP，可广泛应用于图形图像处理、语音处理、仪器仪表、通信、多媒体及军事等领域。它运算速度快（可达40MIPS），功能强，其源代码为’C1x、’C2x兼容，同时与‘C5x向上兼容，而其片内外设也向TMS320C5x靠拢。TMS320F206内部采用程序和数据分开的哈佛结构，它具有专门的硬件乘法器。该芯片采用四级流水线操作，可提供特殊的DSP指令，并可快速实现各种处理算法。图3为MAX1200的外围电路与TMS320F206的接口连接。

　　4 小结

　　利用流水线型ADC可以实现高速高精度的模数转换，这一技术是新型ADC的代表。MAX1200与DSP配合使用可将高速、高精度、低功耗的数字采集系统广泛的应用于数字通讯、高分辨率图象系统、扫描仪等各种数字化系统中。