1.5位结构MDAC的电路结构分析

也是一个平常的工作日，和同事就PipelinedADC中的MDAC电路拉了几句家常。他说：“你看，这个1.5bit结构的MDAC电路，一堆的开关加电容，看起来似乎很复杂，但如果推导出它的传递函数，会发现只是一条简单的数学公式，其传输曲线也很简洁明了。所以，很多电路本质上还是数学，只不过是用电路的形式实现而已。”

我觉得，这算是一个老工程人的中肯的见解，很是让人信服（心里默默点个赞）。

图1：MDAC原理框图

MDAC 电路一般由开关电容电路来实现，和 S/H 类似，它在两相非交叠时钟 控制下工作，工作阶段分为两个阶段：采样阶段和放大阶段。

图2给出了 1.5 位结构 MDAC的电路结构示意图，其中电容 CS和 CF容值相同。时钟 Φ1 和Φ2为两相非交叠时钟。

图2：1.5bitMDAC电路结构

图3：1.5 位MDAC 工作原理 (a)采样阶段 (b)放大阶段

MDAC 电路工作过程如下：假定时钟为高的时候有效。在采样相，连接关系如图3(a)。两个电容对输入信号 Vin进行采样，运放此时处于复位状态。采样结束时刻，Vx节点存储的总电荷量为：

在放大阶段, 电路处于闭环状态, 连接关系如图3b所示。CS电容的一端接S0*Vref , 它的值可以为Vref、0、-Vref , 由本级sub-ADC输出决定, 在放大相,  节点上的总电荷为：

根据电荷守恒，可得出MDAC的最终输出为：

因为CS=CF,S0根据Sub-ADC结果不同可为+1、0、-1。因此上式可以写成如下分段形式：

MDAC 的输出也称为余量电压。式(3)所示的余量会被传输到下一级流水线级进行继续量化，直到最后一级的 Flash 级，完成所有的量化，输出 N 位数字码。从式(4)可以得到 1.5位流水线级的传输曲线，如图4所示。其中±VREF/4是 sub-ADC 中比较器阵列的参考电平，S0为-1、0、1分别对应着数字输出00、01、10。有效位数为 1位，另外一位为冗余位，和后级流水线级的数字输出码进行错位相加，消除比较器的失调带来的误差。因此这样的结构，被称为1.5 位流水线级结构。

图4： 1.5 位MDAC 传输曲线

审核编辑：黄飞