数模混合信号电路设计__ADC
3.2、ADC参数及其电路形式
3.2模数转换器(ADC)参数及其电路形式模数转换器(Analog-to-Digital Converter)简称ADC，它是一种将模拟信号转换成相应的数字信号的装置或器件。
模拟信号是指那些在时间上和数值上都是连续变化的信号。
自然界中各种物理量，如声、光、力、热等，在时间上和量的大小上也都是连续变化的。
这些物理量经过传感器可以被变换成电信号，以便用电子技术手段来处理。
而大多数传感器变换得到的电压、电流信号仍然是连续的。
显然，这种连续变化的电压、电流信号属于模拟信号。
模拟信号需要用模拟仪表指示，用模拟电路进行信号加工、用模拟计算机进行处理。
而模拟系统对外界电磁干扰、环境温度的变化、电子元器件的参数变化都是比较敏感的，因此一个高质量的模拟系统是非常昂贵的。
高速ADC的速度已达1000MHz，高精度ADC的分辨率已达24位；高速DAC 的速度也高达500MHz，高精度DAC的分辨率己达18位。
这样的指标已可以满足绝大多数电子设备对器件的要求，包括某些特殊应用场合的要求。
模数转换过程任何ADC都包括三个基本功能：采样、量化和编码。
采样过程将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则将数字信号最终表示成数字系统所能接受的的形式。
如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。
同采样频率应最少大于输入信号中最高频谱分量的两倍。
下图是采样过程：下图是3位采样和量化过程：静态特性ADC的静态特性是指它的实际量化特性。
理想ADC(没有电路误差)的量化特性仅由它的量化方式、输出数字的位数和码制决定。
实际上存在着失调误差、增益误差，线性和微分线性误差以及温度、时间和电源变化所引起的误差漂移。
动态特性ADC的动态特性主要由转换时间和速率两个相关的技术指标来描述。
一.常用术语和主要技术指标1.位(Bit)，字节(Byte)，字(Word)2.最低有效位 Least Significant Bit(LSB)最高有效位 Most Significant Bit(MSB)3.分辨率(Resolution)分辨率指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。
ADC与DAC电路设计精要
ADC与DAC电路设计精要模拟-数字转换器（ADC）和数字-模拟转换器（DAC）是数字电子系统中常见的关键组件，它们负责将模拟信号转换为数字信号或者将数字信号转换为模拟信号。
在设计ADC和DAC电路时，需要考虑到很多因素，包括精度、速度、功耗、成本等等。
本文将重点介绍ADC与DAC电路设计的关键要点。
首先，ADC电路设计的关键要点之一是分辨率。
分辨率是ADC能够区分的电压值范围的大小，通常以比特为单位表示，比如8位、10位、12位等。
分辨率越高，ADC能够提供的精度就越高。
在选择ADC器件时，需要根据具体的应用需求来确定所需的分辨率，同时还要考虑到采样率和动态范围等因素。
另外，ADC电路设计中还需要考虑信噪比（SNR）和失真。
信噪比是指ADC输出信号与输入信号的比值，表示了ADC在信号转换过程中添加的噪声水平。
失真是指ADC输出信号与输入信号之间的差异，包括非线性失真和量化噪声等。
为了提高ADC的性能，需要尽可能降低噪声水平和失真水平，同时选择合适的滤波器来滤除干扰信号。
对于DAC电路设计而言，精度和线性度是关键要点之一。
DAC的精度指的是输出信号与输入信号之间的误差程度，而线性度表示DAC输出信号与输入信号之间的线性关系。
高精度和高线性度能够保证DAC输出信号与输入信号的一致性，提高系统的性能。
在选择DAC器件时，需要考虑到分辨率、更新速率、功耗等因素，并根据具体的应用需求来确定合适的DAC类型。
此外，DAC电路设计还需要关注输出阻抗和加载效应。
输出阻抗是指DAC输出端的内部电阻，影响着DAC输出信号的稳定性和准确性。
加载效应是指DAC输出端连接的负载电路对DAC输出信号造成的影响。
在设计DAC电路时，需要选择合适的输出缓冲器和负载电路，以确保DAC输出信号能够被准确地传输到下游电路中。
总而言之，ADC与DAC电路设计涉及到很多关键要点，包括分辨率、信噪比、失真、精度、线性度、输出阻抗等等。
在设计ADC与DAC电路时，需要根据具体的应用需求来选择合适的器件和设计方案，以确保电路性能达到预期的要求。
数模混合信号电路设计
设计前的准备
根据需求分析，设计模拟电路部分，包括放大器、滤波器、比较器等。
模拟电路设计
设计数字电路部分，如逻辑门、触发器、寄存器等。
数字电路设计
设计模拟和数字电路之间的接口，确保信号的正确传输。
接口设计
电路设计
功能仿真
验证电路的功能是否符合设计要求。
优化调整
根据仿真结果，对电路参数进行优化调整，提高性能和降低成本。
元器件选择
布局设计
合理安排模拟和数字部分的布局，避免信号之间的相互干扰。
布线设计
采用合适的线宽和间距，确保信号传输的稳定性和可靠性。
电源设计
优化电源网络设计，减小电源噪声对电路性能的影响。
PCB设计
根据设计需求选择合适的电路板制作工艺，如PCB、FPC等。
制作工艺
搭建符合测试要求的测试环境，包括电源、信号源、测量仪器等。
模拟信号放大电路设计概述
模拟信号放大电路设计主要目的是将微弱的模拟信号放大到足够大的幅度，以便于后续的处理或传输。
模拟信号放大电路设计流程
模拟信号放大电路设计流程包括确定放大倍数、选择合适的放大器件、设计合适的反馈电路等步骤。
模拟信号放大电路应用
模拟信号放大电路广泛应用于音频放大、传感器信号放大、电子测量等领域，对于提高信号的信噪比和传输质量具有重要作用。
集成度高
由于同时涉及数字和模拟电路，数模混合信号电路设计较为复杂，需要考虑数字和模拟电路之间的相互影响和干扰。
设计复杂
数模混合信号电路的特点
03
设计流程和方法
明确电路的功能需求，包括模拟和数字部分的需求，以及性能指标要求。
需求分析
了解相关技术和发展趋势，选择合适的技术和工艺。
模拟数字混合信号电路设计
1
2
3
模拟与数字电路的转换可以通过比较器、ADC、DAC等器件实现，这些器件能够将模拟信号和数字信号相互转换。
模拟与数字电路的转换方式
接口设计需要考虑信号的匹配、电平的转换、噪声的抑制等因素，以保证模拟和数字电路之间的可靠通信。
接口设计的考虑因素
详细描述
总结词
模拟与混合信号仿真工具是一种用于验证模拟和数字电路设计的工具，它能够模拟电路的行为并提供精确的结果。
要点一
要点二
详细描述
模拟与混合信号仿真工具是一种用于验证模拟和数字电路设计的工具。它通过模拟电路的行为并提供精确的结果，帮助设计者发现和修复设计中的错误。这些工具通常具有强大的仿真引擎和丰富的库资源，能够模拟各种电路元件和行为。常见的模拟与混合信号仿真工具有Cadence、Synopsys等。
VS
集成电路设计自动化（EDA）工具是一种用于自动化集成电路设计的软件工具，它能够提高设计的效率和质量。
详细描述
集成电路设计自动化（EDA）工具是一种用于自动化集成电路设计的软件工具。它通过提供一系列的工具和服务，帮助设计者完成从电路设计到版图生成的全过程。这些工具能够提高设计的效率和质量，减少设计错误和降低成本。常见的EDA工具有Cadence、Synopsys、Mentor Graphics等。
常见的接口电路包括电压跟随器、差分放大器、滤波器等，这些电路能够实现信号的缓冲、放大、滤波等功能。
常见的接口电路
03
CHAPTER
模拟数字混合信号电路设计流程
确定电路功能
根据实际应用需求，明确模拟数字混合信号电路需要实现的功能。
性能指标评估
数模混合信号电路设计第二讲
ADC的SQNR
信号/量化噪声比
ADC精度每增加1位，其SQNR增加约6dB
ADC性能指标
ADC性能指标:静态性能指标和动态性能指
静态性能指标(Static Specifications)：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在动态变化的环境下的性 能表现，测试时所加测试信号是时间的函数，测试信号在 ADC转换时刻是变化的。
静态性能指标
静态性能指标：
失调误差(Offset) 增益误差(Gain Offset) 微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) 积分非线性(Integrated Nonlinearity, INL)
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：
信号 种类
①模拟信号— 被采集物理量的电信号。 ②数字信号— 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）
ADC包括两个过程： 1、采样（时间离散化） 2、量化（幅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，也就 是采样频率大于奈奎斯特率。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。实用的办法是加入保持器。常 用的为零阶保持器。
理想ADC的特性
精度： 1LSB=D=VFS/2N
模拟输入范围： -0.5D~(2N-0.5)D 对于3位ADC： -0.5D~7.5D
数模混合信号电路设计技术分享
数模混合信号电路设计技术分享混合信号电路设计既包括模拟电路设计，也包括数字电路设计，是一门综合性强的技术，常在通信、医疗和工业控制等领域得到广泛应用。
数模混合信号电路设计技术是一项重要且复杂的工作，需要设计师具备一定的数学、物理、电子学和计算机等知识，下面我将分享一些关于数模混合信号电路设计技术的内容。
首先，数模混合信号电路设计需要设计师对模拟电路和数字电路均有较深的理解。
模拟电路主要处理模拟信号，它以连续的方式表示信号，而数字电路则主要处理数字信号，以离散的方式表示信号。
在混合信号电路设计中，需要设计师根据具体的需求有效地整合模拟和数字电路，以实现所需的功能和性能。
因此，设计师需要了解模拟信号处理和数字信号处理的原理，掌握模拟电路和数字电路的设计方法。
其次，数模混合信号电路设计技术中，模拟信号和数字信号之间的转换是关键的一步。
在实际的电子系统中，模拟信号和数字信号需要相互转换，这就需要设计师使用数模转换器，即ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）。
ADC负责将模拟信号转换为数字信号，而DAC则负责将数字信号转换为模拟信号。
设计师需要根据具体的应用需求选择合适的ADC和DAC，并合理布局在电路中，以确保转换的准确性和稳定性。
此外，数模混合信号电路设计还要考虑功耗、速度和精度等方面的问题。
随着科技的不断发展，电子设备对功耗、速度和精度等性能指标的要求越来越高。
设计师在进行数模混合信号电路设计时，需要在功耗、速度和精度之间找到平衡点，满足产品的性能需求和成本控制。
因此，设计师需要选取合适的元件、进行仿真和优化设计，以提高电路的性能和稳定性。
最后，数模混合信号电路设计是一个复杂而有挑战性的工作，需要设计师具备较强的动手能力和创新意识。
在实际的设计过程中，设计师可能会面临各种问题和挑战，需要灵活应对，通过分析、设计和验证等步骤来解决问题。
设计师还需要不断学习和提升自己的技术水平，掌握最新的数模混合信号电路设计技术，以适应不断变化的市场需求。
模数和数模转换器（ADC和DAC）工作原理
模数和数模转换器（ADC和DAC）工作原理为了能够使用数字电路处理模拟信号,必须把模拟信号转化成相应的数字信号,方能送入数字系统进行处理.同时也要把处理后得到的数字信号在转换成相应的模拟信号,作为最后的输出.我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换叫做模-数转换,或简称A/D;把后一种从数字信号到模拟信号的转换叫做数-模转换,或简称D/A.同时把A/D或D/A 转换的电路叫做模数转换器(简称ADC)或数模转换器(简称DAC)主要分成以下几个部分：1、取样：取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
2、保持：模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。
采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。
因此，在取样电路之后须加保持电路。
3、量化：将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。
4、编码：把量化的结果用代码表示出来，称为编码。
这些代码就是A/D转换的输出结果。
模拟信号数字化需要注意两个问题：①每秒钟需要采集多少个信号样本，也就是采样频率(fs)是多少，②每个信号样本的比特数b/s(bit per sample)应该是多少，也就是量化精度。
根据奈奎斯特理论（Nyquist theory），采样频率的高低是由模拟信号本身的最高频率决定的。
奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于模拟信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的信号还原成原来的信号，这叫做无损数字化（lossless digitization）。
采样定律用公式表示为fs ≥ 2f或者T s ≤ T/2其中f为被采样信号的最高频率，T为被采样信号的最低周期，fs 称为采样频率，Ts为采样间隔。
如下图，图中的正弦曲线代表原始音频曲线；填了颜色的方格代表采样后得到的结果，二者越吻合说明采样结果越好。
芯片设计中的混合信号电路设计方法是什么
芯片设计中的混合信号电路设计方法是什么在当今科技飞速发展的时代，芯片作为各种电子设备的核心组件，其性能和功能的不断提升至关重要。
而混合信号电路设计在芯片设计中扮演着关键的角色，它融合了模拟电路和数字电路的特点，能够实现更复杂、更高效的功能。
那么，芯片设计中的混合信号电路设计方法究竟是什么呢？要理解混合信号电路设计方法，首先得明白模拟电路和数字电路的区别。
模拟电路处理的是连续的信号，比如声音、图像等，其信号幅度可以在一定范围内连续变化。
而数字电路处理的则是离散的信号，只有 0 和 1 两种状态。
混合信号电路就是要将这两种不同性质的电路有机地结合在一起，以实现特定的功能。
在混合信号电路设计中，系统规划是第一步。
这就好比盖房子之前要先有个蓝图，明确整个电路要实现什么样的功能，性能指标如何，以及与其他系统模块的接口等。
比如，在设计一个用于音频处理的芯片时，需要确定音频的采样频率、分辨率、动态范围等指标。
接下来是电路模块的划分。
根据系统规划，将整个电路划分成不同的模块，有的模块负责模拟信号处理，有的负责数字信号处理，还有的负责两者之间的转换。
比如，在音频处理芯片中，可能会有模拟音频放大器模块、模数转换模块、数字信号处理模块等。
在模拟电路设计部分，精度和稳定性是关键。
由于模拟信号的连续变化特性，很小的干扰或误差都可能对信号质量产生较大影响。
因此，在设计模拟电路时，需要精心选择元器件，考虑其参数的一致性和稳定性。
比如，选择高精度的电阻、电容，以及低噪声的放大器等。
同时，还要注意电路的布局和布线，减少寄生电容和电感的影响，以提高电路的性能。
数字电路设计则更侧重于逻辑功能的实现和时序的优化。
通过使用各种数字逻辑门、寄存器、计数器等元件，构建出满足功能要求的数字电路。
在设计过程中，要考虑时钟频率、时序约束等因素，以确保数字电路能够正确、高效地工作。
而模数转换（ADC）和数模转换（DAC）模块则是混合信号电路中的关键桥梁。
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Psignal
A2 2
(2N1)2 2
Vfs 2N
则量化器理论上能得到的最大信号噪声 比为
SNRmax 10lg
A2 / 2 2 /12
10lg
3 22N 2
(6.02N 1.76)dB
量化器每增加一位，其SNR增加大约6dB。
ADC的动态范围
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，称之为量化误差或量化噪声。
冲激串抽样
华侨大学IC设计中心
(1)
0频f从f(ts)率(t频)谱sf 图2(t)t根可mT，S 据(以t)频看m为域出F2TsfS(卷：(jTtS)积要的)0定使频TT2SS1(各理t谱2T)FS频：F( j(移jt)不)=的重s最叠S高T(S，频0) f抽sT(率St)样2T。S 3TS
失调和满幅度误差的结合 华侨大学IC设计中心
失调、满幅度误差以及增 益误差很容易用后续的数 字信号处理消除，影响不 大 重要是的DNL和INL 测量INL和DNL时需要去 除失调和满幅度误差的影 响，所以连接实测的两个 端点代替理想的转换特性
静态性能指标
华侨大学IC设计中心
微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) :理想 条件下， 模数器件相邻两个数据之间，模拟量的差值都是一样的。 但实际上，相邻两刻度之间的间距不可能都是相等的。 DNL定义为：相邻两个转换点之间的距离与理想值的 最大偏差。DNL的具体数值依赖于具体的输出码字， 如果不指定具体的码字而衡量整个模数转换器的微分非 线性误差指标，则所指为所有微分非线性误差中最大的 一个。
②数字信号— 计算机运算、处理的信息。
华侨大学IC设计中心
模拟信号的数字化处理（ ADC基本过程）
x(t)
xa(t) xs(nΔt)
Y(n)
Hale Waihona Puke 数字信抗混叠 滤波器
幅度量化 采样(时间离散)
号输出
ADC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） 华侨大学IC设计中心
0 m S
信号重建
华侨大学IC设计中心
华侨大学IC设计中心
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
f f sample
signal
fsample 2 fsignal
f sample
3 4
f signal
华侨大学IC设计中心
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
华侨大学IC设计中心
混叠：nfsample finterference 的信号被折叠进fsample/2的信号带宽内
采样前：
采样后：
？
乃奎斯特采样定理：若fsample>2fsig_max，则不会发生混叠
微分非线性DNL
DNL定义： 实际码的宽度与1LSB
（）之差 方法：
1. 连接两个端点， 得出理想的转换 特性
2. 去除失调、满幅 度误差
3. 测DNL
华侨大学IC设计中心
DNL的几点说明
华侨大学IC设计中心
理想情况下，每个码相差，所以每个码处的DNL=0； 测DNL前，需要先消除失调和增益误差 DNL[k]是个向量，表示各个码处的DNL 测试时，通常需要报告每个码的DNL，若只给一个值，
静态性能指标
失调误差(Offset Error) :
华侨大学IC设计中心
失调误差
华侨大学IC设计中心
定义： 实测的转换曲
线第一个转折点处 的输入电压-1/2 LSB
转折点处的输入电压 1+3/4LSB
举例：失调误差的影响
华侨大学IC设计中心
若12位的ADC，满刻度电压为2.5V，则
最小分辨率1LSB=2.5/4096=0.61mv;
混叠现象的解决措施
抗混叠（anti-aliasing）滤波器
华侨大学IC设计中心
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！
华侨大学IC设计中心
实际抗混叠滤波器特性
量化
华侨大学IC设计中心
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， 大多数模数转换器采用均匀量化器。
2n 1
Quantization Noise
Digital Output Code
111
110
1LSB
101
(a)
100
011
010
1LSB
001
000
0.5
(b)
0.0
vin
Vref
-0.5
1 2 3 45 6 7
8 8 8 88 8 8
量化器的量化误差在[0~ ± Δ/2]
之间变化
常见的模数转换器结构
华侨大学IC设计中心
精度
Over-Sampling apApSlrguoocxrciimtehsamstiiviocen,
FPIlnaipsteehrl,ipnFoeloaltdiningg
带宽
精度与速度的折衷
华侨大学IC设计中心
在数据采集系统中存在两种信号：
信号 ①模拟信号— 被采集物理量的电信号。 种类
DNL 实际码宽 理想码宽 (LSB) 1LSB
存在失码和非单调性时的DN华L侨大学IC设计中心
• 存在失码时，DNL为最小值-1（DNL不可能小于-1） 转换特性存在非单调性时：|DNL|>1
举例说明
华侨大学IC设计中心
对于|DNL|<4LSB的16位ADC，只能相当 于14位无丢码ADC;
e
2
其它
P(e)
1
2
e
2
量化噪声概率密度函数
量化噪声en的概率密度函数（华P侨D大F学）IC设计中心
通常可认为量化噪声为[/2, /2]内的均匀分布
P(e)
1
2
e
2
p(e) 1 0
e
2
其它
其均值为0： 2
me E[(e(n)] ep(e)de 0
t
否则， s < 2m ，抽样信 T1号s F的( j频)谱会S (出)现混叠。
F( j)
ss ()
FS ( j)
*
S
=
1 TS
m 0m
S
0 S
S m 0m S
FS ( j)
当 S 2m 时
1 TS
当 S 2m时
则是最大值
DNL计算举例
理想3位ADC
LSB=0.1，VFS=0.8V
失调为0.02-0.05=-0.03V
表示为-0.03/0.1=-0.03LSB
满幅度误差为0.680.65=0.03V
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）
华侨大学IC设计中心
全并行Flash ADC 逐次逼近(Successive Approximation) ADC 流水线 (Pipelined) ADC 折叠 (Folding) ADC Sigma Delta ADC
两步型 (Two-Step Flash) ADC 内插型(Interpolating) ADC
算法(Algorithmic ) ADC
量化误差的定义
华侨大学IC设计中心
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
华侨大学IC设计中心
也称为余量曲线
正弦信号输入
华侨大学IC设计中心
ADC一些基本概念 表示相邻的数字华输侨出大量学之I间C的设间计中心 隔，量化台阶
方差为：
2
2
D[(e(n) me )]
2
(e me )2
p(e)de
2 12
2
即量化噪声的功率
理想ADC的SNR
华侨大学IC设计中心
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：
动态性能指标：主要表征 ADC在动态变化的环境下的性 能表现，测试时所加测试信号是时间的函数，测试信号在 ADC转换时刻是变化的。
静态性能指标
华侨大学IC设计中心
静态性能指标？：
失调误差 满幅度误差 增益误差 微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) 积分非线性(Integrated Nonlinearity, INL)