6bitFlashADC电路的设计

李婷 黎涛 苏庆 魏一方

摘 要：模数转换器（ADC）是模拟信号和数字信号之间重要的接口电路。随着科学技术的快速发展，对ADC的性能要求越来越高，ADC的性能甚至成为衡量器件设备好坏的关键因素。本文的目标是设计一个6bit高速Flash ADC，同时利用底极板采样技术、D触发器和与门构成的毛刺消除电路改善了ADC的失真和毛刺现象。在100MHz的采样频率下进行电路仿真，得到信号噪声失真比（SNDR）达36.7904dB。

关键词：6bit Flash ADC;SNDR;底极板采样;毛刺消除

信息学科的发展带动了数字通信的发展，而且理论和实践都已经证明，数字通信具有可靠、方便、经济和保密等优点。要实现数字通信，首先要考虑的就是如何将自然界中的模拟信号转换为数字信号，故ADC的发展显得尤为重要，为此，人们开始发展ADC。本文6bit Flash ADC 电路的设计的难点主要在比较器，要解决亚稳态误差和毛刺现象。于是采用与门阵列及D触发器构成的电路，可有效改善问题。同时将参考电压内置于比较器中，从而避免了使用无源器件进行参考电压的产生。[1]

1 工作原理

Flash ADC是运算速度最快的ADC，一个N位flash ADC有2N-1个比较器。每个比较器均有一个基准电压。对给定的输入电压，当它高于比较器基准电压时，逻辑输出为“1”，而当它低于比较器基准电压时，逻辑输出为“0”。因此，2N-1个比较器的输出在行为上类似于水银温度计，故该点的输出码则被称为“温度计”码。由于2N-1个数据输出并不便于实际应用，因此需要经过解码器处理来产生N位二进制输出，同时要考虑消除误差的问题。本文是设计一个6bit的Flash ADC电路，电路主体为三个部分，分别为采样保持电路、量化电路、DAC（设计不作要求），其原理及电路图将在第二部分进行说明。

2 采样保持电路

3 量化电路

采用63个比较器，每个比较器含有一个内置参考电压，比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1。当“+”输入端电压高于“-”输入端时，電压比较器输出为高电平;当“+”输入端电压低于“-”输入端时，电压比较器输出为低电平。为了减少输出波形的毛刺，则在每一个比较器输出端接一个毛刺消除电路，如图2所示：

从比较器序列输出的是一组温度计码。为使温度计码转换成计算机能够处理的二进制码，需要一个温度计编码电路作为桥梁，当输入信号与参考信号电压大小差值极小时，比较器不能迅速稳定到正确的逻辑电平，这种亚稳态进而无法给予确定的高低电平给下级电路。可通过在温度计码和二进制码中间引入格雷码来降低亚稳态造成的数字输出错误。[2]如图3所示：

4 总电路结构

将以上各部分进行级联可得由采样模块、量化模块和DAC电路模块构成的总电路结构，如图4所示：

5 仿真结果

为了看到最后的波形，加一个理想DAC在最后，输出波形如图5所示，SNDR为36.7904dB。

6 结论

本论文中6bit Flash ADC电路是用65nm工艺完成设计，通过电路层面进行仿真验证得到SNDR为36.7904dB，较接近于理想值。本电路相较于通过无源器件产生参考电压的Flash ADC在面积和性能上的到一定的改善。

参考文献：

[1]薛香艳，周雪荣，叶凡，任俊彦.一种采用标准数字单元实现的5bit 100MS/s全数字闪烁型模数转换器[J].复旦学报（自然科学版），2016，55（04）：410-417+424.

[2]陈超.6 位 Flash 型超高速 ADC 的设计[D].哈尔滨工业大学，2007.

作者简介：李婷（1998-），女，汉族，湖北咸宁人，本科;黎涛（1995-），男，汉族，重庆垫江人，本科;苏庆（1998-），女，汉族，云南红河州人，本科;魏一方（1998-），男，汉族，陕西西安人，本科。