数模混合信号电路设计

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1、数模混合信号集成电路设计第三讲ADC华侨大学·电子与信息工程学院电子工程系杨骁凌朝东xiaoyanghqu@hqu.edu.cnAnalog-To-Digital自然所有的界物理量如声音、光、温度等都是以模拟信号的形式存在随着现代集成电路器件尺寸不断减小，速度不断加快，集成度不断提高，廉价、高速的数字集成电路大量出现,这些数字集成电路能够完成相当复杂的数字信号处理任务数字信号处理技术具有更多的优势：便于传输、计算、存储等优点.一般都采用把复杂的信号处理任务放在数字域来完成，从而降低整个系统的设计难度、成本和功耗。A/D和D/

2、A是连接模拟和数字的桥梁ADC/DAC常见的ADC全并行FlashADC逐次逼近(SuccessiveApproximation)ADC流水线(Pipelined)ADCSigmaDeltaADC折叠(Folding)ADC两步型(Two-StepFlash)ADC内插型(Interpolating)ADC算法(Algorithmic)ADC常见的模数转换器结构精度与速度的折衷在数据采集系统中存在两种信号：①模拟信号—②数字信号—信号种类被采集物理量的电信号。计算机运算、处理的信息。模拟信号的数字化处理（ADC基本过程）AD

3、C包括两个过程：1、采样（时间离散化）2、量化（幅度离散化）采样过程（时间离散化）采样过程即把连续时间离散化，这一过程必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须大于2倍的奈奎斯特频率。如果不满足采样定理，采样过程就会产生信号频谱的混叠。为了避免信号频谱的混叠，信号在采样前必须通过一个抗混叠滤波器，把信号变为一个带限信号。这个过程可逆。量化（幅度离散化）量化过程就是把模拟信号的连续幅值离散化，用有限的数字去表示模拟信号幅值的大小。量化过程是不可逆的，经过量化得到的数字信号不可能不失真地恢复到原来信号，它必定要引入一定的误差，称之

4、为量化误差或量化噪声。冲激串抽样=当时*=当时从频谱图可以看出：要使各频移不重叠，抽样频率s2m，m为f(t)的频谱F(j)的最高频率。否则，s<2m，抽样信号的频谱会出现混叠。根据频域卷积定理：信号重建采样信号处理中的混叠现象（时域解释）信号频率与采样时钟频率的关系采样系统无法区分fsignal以及n·fsample±fsignal的信号例：采样时钟为6MHz，则用该时钟采样1MHz和7MHz的信号结果一样，用该采样结果无法恢复出原始信号混叠的频域解释混叠：的信号被折叠进fsample/2的信号带宽内乃奎斯

5、特采样定理：若fsample>2fsig_max，则不会发生混叠采样后：采样前：？混叠现象的解决措施抗混叠（anti-aliasing）滤波器若fsig_max=1/2(fsample)，极限情况，则要求抗混叠滤波器具有“砖墙”特性过采样可以降低滤波器的要求！实际抗混叠滤波器特性量化量化过程把模拟信号的连续幅值离散化，用有限的数字去表示模拟信号幅值的大小。量化过程是不可逆的，经过量化得到的数字信号不可能不失真地恢复原信号，它必定要引入量化误差或量化噪声。根据量化过程中量化器的输入与输出的关系，可分为均匀量化和非均匀量化，大多

6、数模数转换器采用均匀量化器。量化误差的定义量化误差：模拟输入与数字输出经过理想DAC之后的差值，也称为余量电压或量化噪声量化误差曲线斜坡信号输入也称为余量曲线正弦信号输入ADC一些基本概念表示能够分辨的最小输入模拟量表示相邻的数字输出量之间的间隔，量化台阶理想ADC位数与量化台阶数M的关系：3bit则有7个量化台阶数量化器的量化误差在[0~±Δ/2]之间变化量化噪声假设量化误差为加性白噪声后，可以得到其统计参数：均值m及方差σ2。均值m表示了量化噪声的直流分量，方差σ2则表示了除去直流分量后，量化噪声的平均功率。如果量化噪声

7、为白噪声，则其概率密度函数如图所示，其代数表达式为：量化噪声概率密度函数量化噪声en的概率密度函数（PDF）通常可认为量化噪声为[-D/2,D/2]内的均匀分布其均值为0：方差为：即量化噪声的功率理想ADC的SNR若输入信号为峰－峰幅值等于2A（幅值为A）的正弦信号，要使量化器不发生过载，则A的最大值为VFS/2，输入信号的平均功率为：则量化器理论上能得到的最大信号噪声比为量化器每增加一位，其SNR增加大约6dB。ADC的动态范围假定电路噪声<<量化噪声,则动态范围定义为也可以用电压来近似由于实际噪声以及ADC的非理想特性，

8、达不到最大的动态范围ADC性能指标ADC性能指标:静态性能指标和动态性能指标？？静态性能指标(StaticSpecifications)：静态参数主要表征ADC在静态不变的测试环境下的性能表现，测试时所加的测试信号在ADC转换时刻保持不变。有时又称为DC性能。动态性能指标：主要表征ADC在