关键词：流水线MAX1200 ADC TMS320F206

1 概述

为了适应计算机、通信和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域的数字化进程不断加快,ADC在工艺、结构、性能上都有了很大进步,正在朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展。新型的流水线结构是实现高速低功耗ADC的新型有效的方法。MAX1200就是采用这一新技术的高速、高精度、低功耗ADC的代表。

    MAX1200是16位,具有采样率可达1 Msps的单片集成模数转换器,内部CMOS积分电路采用全差分多级流水线结构,并且具有快速的数字误差校正和自校准功能;保证在全采样率时具有16位的线性度和直到奈奎斯特频率的91dB的非那时散动态范围（SFDR）、良好的信噪比（SNR）和谐波失真（THD）。MAX1200主要应用于高分辨率图像系统、扫描仪、数字通信、检测仪表和数据接收等领域。其主要技术特性如下：

*单电源+5V供电;

*±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;

    *输入信号fin=100kHz时,信噪比为87 dB;

*输入信号fin=100kHz时,非杂散动态范围为91dB;

*1Msps,+5V供电时功耗273mW;

*±0.5LSB差分非线性误差;

*三态、二进制补码输出;

*快速、可控自校准功能;

*44脚MQFP封装。

表1为引脚说明

表1 引脚说明

2 工作原理

流水线型（pipeline）ADC又称为子区式ADC,由级联的若干级电路组成。每一级包括1采样/保持放大器,1个低分辨率持ADC和DAC,以及1个求和电路,其中求和电路包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器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1个m位分辨率的粗A/D转换器对输入进行量,接着用1个至少n位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生1个对应于量化结果的模拟电平送至求和电路,求和电路从输入信号中减掉此模拟电平,并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。经过各级这样的处理后,最后由1个较高精度的k位细A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来构成高精度的n位输出;同时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的原理图及每级内部结构图。

图1中m=8,l=4,n=16。由于采用的开关电容流水线结构中存在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D15～D0之间引入的等待时间,也就是流水线的延迟时间;但是,在连续采样的情况下可以获得连续的输出,只是输出数据是前面的采样输出。时序如图2所示。

总地来说,流水线ADC不但简化了电路设计,还具有如下优点：

①每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正,具有良好的线性和低失调;

②每一级具有独立的采样/保持放大器,前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样,因此,允许流水线各级同时对多个采样进行处理,从而提高了信号的处理速度,典型的为Tconv<100ns。

③功耗低;

④很少有比较器进入亚稳态,从根本上消除了火花码和气泡,从而大大减少了ADC的误差;

⑤多级转换提高了ADC的分辨率。

（1）输入模拟信号

全差分的开关电容电路（SC）用来控制参考电压和模拟输入,如图3所示。采用差分输入信号比单端输入具有更好的THD和SFDR性能,并且具有两倍的信号量程、普通模式下的抗干扰性提高、有效地消除偶次谐波、对输入信号的放大器预处理要求不高等优点。如果使用单端输入,负输入引脚INN连接到普通模式电压引脚CM上,输入模拟信号接正输入端INP。为了充分利用ADC的直到奈奎斯特频率的优良的AC特性,应尽量采用差分输入方式。可以通过电路转换将单端输入转换成差分输入。如图4所示,利用低噪声、宽带的运算放大器MAX4108可以保证MAX1200输入信号在全功率带宽范围的信号纯净。为提高信噪比减小信号失真,在输入信号进入ADC之前,可采用低通或带通滤波器调理输入信号。通常对于低频输入信号（<100kHz）可采用有源滤波器,高频输入信号则采用无源滤波器。

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