AD1672模數轉換器的工作原理及其應用

一、 概述

AD1672是美國adi公司最近推向市場(chǎng)的一種新型單片式模數轉換器(ADC)。片上含有4個(gè)高性能采樣保持放大器(sha)和4個(gè)閃爍式adc及電壓基準。它采用4級流水線(xiàn)結構，輸出帶有誤差修正邏輯電路，并采用bicmos工藝，從而保證在3msps采樣速度下12位精度，在整個(gè)工作溫度范圍內不失碼。由于ad1672輸入sha具有快速建立特性，所以它既適合從負滿(mǎn)度到正滿(mǎn)度電壓逐次切換多通道系統，又適合輸入頻率高達奈奎斯特速率的單通道采樣。

ad1672具有寬頻帶輸入、單電源供電、低功耗和低價(jià)格等特點(diǎn)，非常適用于通信、圖象處理和醫療設備新電路設計。 ad1672采用28腳plcc封裝，工作溫度范圍為-40～+85°c，其引腳排列見(jiàn)圖1，引腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖1 ad1672引腳排列

　　類(lèi)型：ai—模擬輸入;di—數字輸入;p—電源; ao—模擬輸出;do—數字輸出。

　　表1 ad1672引腳功能說(shuō)明

二、工作原理

ad1672采用4級流水線(xiàn)閃爍式(flash),又稱(chēng)并行式模數轉換結構(見(jiàn)圖2)。

圖2 ad1672 結構框圖

　　4級閃爍式adc的分辨率分別為4，4，3和4位，其中每?jì)杉壷g重疊1位用來(lái)誤差修正。用低噪聲sha采集滿(mǎn)度值，單端輸入在167ns內具有12位精度。ad1672的工作過(guò)程，首先第一級閃爍式adc對輸入信號進(jìn)行4位近似轉換，同時(shí)利用第1級數模轉換器(DAC)將這4位數字量轉換成對應的精確模擬量。再從第1級sha輸出的模擬量減去第1級dac產(chǎn)生的模擬量得到一個(gè)殘差。然后，第2級sha對這個(gè)殘差進(jìn)行采樣和保持，第2級adc對此進(jìn)行4位近似轉換，同樣利用第2個(gè)dac得到第2級殘差。一但第2級sha進(jìn)入保持方式，第1級sha便返回到采樣方式，以采集新的輸入信號。第3級轉換與第1級和第2級類(lèi)似，也由一個(gè)sha，一個(gè)adc和一個(gè)dac構成，不同之處分辨率不是4位而是3位。第4級，即最后一級轉換僅由1個(gè)4位閃爍式adc構成，完成最終殘差的模數轉換。最后在修正邏輯單元，累計4級閃爍式adc構成15位輸出，但由于在累計過(guò)程中采用了適當的誤差修正方法，使最終輸出字為12位。數字輸出連同超量程指示(otr)都被鎖存到輸出緩沖器以驅動(dòng)輸出引腳。

　　由于ad1672結構的每一級都有一個(gè)附加的sha，所以允許流水線(xiàn)轉換。實(shí)際上這種模數轉換器是由多級輸入，同時(shí)轉換，通過(guò)串行鏈方式完成四級轉換過(guò)程。這表明，雖然這種轉換器在每個(gè)時(shí)鐘周期都具有捕獲新輸入信號的能力，但要完成全部轉換并且在輸出端呈現數字量，實(shí)際上只用2 1/2個(gè)時(shí)鐘周期。這種“流水線(xiàn)延遲(pipeline delay)”在許多應用中它并不引人注意，只是在有些情況下才考慮這個(gè)問(wèn)題。例如，在高速反饋環(huán)路要求使用adc的一些場(chǎng)合，只有提供一個(gè)理想的數字輸出結果，才能對其輸入信號進(jìn)行補償(例如，視頻應用中的失調校準或零點(diǎn)恢復)。在這種情況下，在計算環(huán)路穩定性時(shí)，必須考慮通過(guò)流水線(xiàn)引起的時(shí)鐘延時(shí)。另外，由于轉換器同時(shí)在3個(gè)轉換器上工作，所以在轉換過(guò)程的主要交接處(例如，電源或基準引起的大的尖峰毛刺)會(huì )使3個(gè)采樣數據變壞。最后應當說(shuō)明，ad1672存在一個(gè)最小的時(shí)鐘速率，低于這個(gè)最小值，sha的頂降率會(huì )使流水線(xiàn)信號變壞，這個(gè)最小時(shí)鐘速率在25°c 時(shí)為20khz。通常時(shí)鐘速率選取3mhz。

　　ad1672的內部定時(shí)控制電路利用了時(shí)鐘的上升沿和下降沿。ad1672在時(shí)鐘輸入的上升沿對模擬輸入信號采樣。當時(shí)鐘處于低電平期間(處于時(shí)鐘下降沿和上升沿之間)，輸入sha處于采樣方式;當時(shí)鐘處于高電平期間，則sha處于保持方式。由于這種器件利用時(shí)鐘上升沿和下降沿定時(shí)，所以?xún)H在時(shí)鐘上升沿，抖動(dòng)才很明顯。

　　三、應用

　　1.模擬輸入

　　ad1672等效模擬輸入電路如圖3所示，其中輸入sha及其輔助電阻網(wǎng)絡(luò )很容易接成單極性(0～2.5v或0～5.0v)或雙極性(-2.5～+2.5v)，見(jiàn)圖4。ad1672標稱(chēng)輸入電阻rin，對于 2.5 v輸入范圍為2kω，對于5.0v輸入范圍為4kω。

圖3 等效模擬輸入電路

圖4 輸入范圍選擇