adc1量化和编码

1，量化和编码

2， 最低有效位(LSB) 在n位二进制数中，LIBS对应的模拟输入量是满度范围(通常等于参

考电压V)的1/2n，也就是量化单位。 3， 量化方式 最大量化误差1，有舍有入1/2LSB 2只舍不入1LSB 4， 单极性方式、双极性方式Un1polarmode，Bipolarmode当ADC的模拟输入电压只允许为

正电压或只允许为负电压，即为单极性方式，转换结果用无符号的二进制数表示。当ADC的模拟输入电压既可为正电压，也可为负电压时，即为双极性方式，转换结果常用二进制偏移码表示。

5， 满度范围(量程)Full range(Span) 满度范围、量程、输入范围(Input range)、输入量程(Input span)均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为FSR。

6， 量化误差Quantizing error量化误差是模拟输入量在量化取整过程中所引起的误差，又称

量化不确定度。量化误差是模数转换器固有的，其大小与分辨率直接相关.通常为士1/2LSB或士1LSB模拟输入量。

7， 量化噪声Quantization noise当模数转换器输入一个线性增长的模拟电压时，其输出的数

字量是一个逐步增长的阶梯。如果用一个理想数模转换器(简称DAC)把输出的数字量恢

复成模拟电压，这个模拟电压与ADC的模拟输入电压之间存在误差电压，该误差电压有效值即为量化噪声。 8， 量化间隔??Vref2n

9， 精度Accuracy产生各输出代码所需的模拟量(严格地说指该代码中点值)的实际值与理论

值之差的最大值称为精度。精度是零位误差、增益误差、积分线性误差、微分线性误差，温度漂移等综合因素引起的总误差。精度可以用LSB的倍率表示，也可以用相对于满度范围的百分比表示(%FSR)。由于通过外部电路的调整可以减小零位误差和增益误差，但通常无法减小积分线性误差和微分线性误差，因此，积分线性误差和微分线性误差是影响转换精度的主要因素。一般来说分辨率高的ADC，精度也比较高，但并非总是一致

1

的。精度是指转换器实际值与理论值之间的偏差，而分辨率是指对相邻数值加以区分的能力。有时候对信号处理的精度要求并不高，但所处理的信号动态范围很宽，那么一种高分辨率，而精度并不很高的ADC是十分合适的，因为它的价格比既高分辨率又高精度的ADC低得多。 10， 转换时间Conversion time ADC完成一次转换所需的时间称为转换时间(模数转换从

启动到结束所用的时间或A/D从转换控制信号到采集开始，到输出端得到稳定的数字信

号经过的时间)。

11， 转换速率conversion rate转换速率 对于大多数ADC来说，转换时间的倒数即为转

换速率(每秒转换次数)，但对于采样ADC来说，转换速率应为转换时间和采样保持所需

时间之和的倒数。

1 转换速度?（转换时间+复位时间）1(conversion time +reset time)conversion rate?

数据输出速率output data rate数据输出速率指单位时间内ADC输出转换结果(数字输出信号)的次数，数据输出速率也被称为输出更新率((output update rate)或通过率(Throughput rate)。

信号和量化噪声比SQNR信号和带内量化噪声功率比

12， 采样速度Sampling frequency （fsampling ）每秒钟ADC读取模拟信号的次数。常用

KSPS(千次采样每秒)或MSPS(兆次采样每秒)表示。

14归一化功耗F 将A/D转换器的总功豪一比较器功耗为单位进行归一化

用N代表转换器总转换精度，n代表每级精度，R代表MDAc功耗与Sub一ADC比较器功耗之比，F代表归一化后的转换器系统总功耗《新型PipelineADc系统建模与优化方法》pp,50 静态误差 13， 14，

分辨率Resolution2n

失调误差offset error 相当于在理想输出曲线基础上在纵坐标上有一个平移。当模

拟输入为0时的输出模拟量。单位mv或满量程的百分比。又指A/D转换器最低的一个判决电平和理想A/D转换器的最低判决电平之差。也可以定义指实际A/D转换器和理想A/D转换器的最低判决电平之差。零位误差(失调)Zeroerror(offset)零位误差又称输入失调，为实际模数转换曲线中数0的代码中点与理想模数转换曲线中数字0的代码中点的最大偏差。多数ADC可以通过外部电路的调整，使零位误差减小到接近零。当ADC工作在单极性方式时，从数字0到数字l的变迁应发生在1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为单极性失调(Unipolar offset)。当ADC工作在双极性方式时，从数字01??In到数字10??000的变迁应发生在一1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为双极性零位误差(Bipolar zero error)。解决方法数ADC可以通过外部电路的调整，使零位误差减小到接近零

15， 增益误差gain error指实际A/D转换器和理想A/D转换器的最低判决电平对齐后最

高电平之差。也指转换器的实际转换曲线和理想转换曲线在满刻度时的差值，用mv或满量程百分比。

2

为了消除非线性失真，有些时候可以采用预校正技术

见“6比特超高速全并行模数转换集成电路设计”沈志远5~9 16， 微分非线性DNL 是A/D转换器实际转换特性的码宽与理想码宽（1LSB）的相对

偏差单位LSB DNL?V实际码宽?V理想码宽VLSB

当微分特性小于1表示没有失码

2， 积分非线性INL 又称线性误差。理想的模数转换器代码中点是一条直线，实际的模数

转换器代码中点与这条直线之间的最大偏差是积分非线性误差

失调和增益误差是线性误差，可通过软件和硬件消除。而DNL和INL是非线性误差，无法消除，只有通过电路设计，版图设计和校准技术减小。 动态误差

17， 信噪比 SNR

1） 在统计信号处理中，量化噪声本身是非线性的。但是，在某些情况下，如果输入信

号变化足够快或者有足够的随机性，量化噪声信号将是在士0.5△之间均匀分布的随机信号。这样量化噪声的概率密度是一个常数。量化噪声的概率密度分布函数图

在图中，可以看到概率密度函数人x)在士0.5△之间均匀分布，峰值为1/△， 这是因为概率密度函数在士二的积分必须为l，即

3

?????f(x)dx??1??0.5??0.5?f(x)dx?1

f(x)?

在信号处理中，我们对噪声的衡量往往都是采用平均功率值，下标:ms表示均方根，可以理解为平均功率值开平方，单位是伏特。对于量化噪声，它的均方根电压表示为 Nrms?[?????1xf(x)dx]2?[?2?0.5??0.5?x21?1dx]2??12

?12如果量化噪声在士0.5△之间平均分布，那么该量化噪声的均方根电压值为<用于电能测量单片dslta一sigma ADC 设计>王义凯PP8

在测试ADC的动态特性时，经常使用正弦波作为输入信号，以此计算理想的ADC 信噪比。信噪比是指除去滤波能量后，基波能量与总噪声能量的比值，一般以分贝(dB) 为单位。如果模拟输入是振幅为Vref/2正弦信号(峰峰值Vref)，它的总功率等于

Vref82?22m?28

所以输出信噪比等于 SNRP?22m?3?2?2?3222m

12表示成分贝形式

SNRP?6.02n?1.76dB

常用来比较给定m位ADC性能和理想情况下的差别。可以看出，每增加一位数字输出，理想ADC的信噪比将增加6.02dB(选采样频率为1/2的正弦信号) 18， 总谐波失真THD 指各次谐波（通常只有前5次以内的谐波）的均方根与基波信号

的均方根之比。 THD?20log2Vrms?harmonicsVsignal?10log2Vharmonics1?Vharmonics2?Vharmonics3?Vharmonics4?Vharmonics5Vsignal22222

THD?Vharmonics1?……?VharmonicsjVsignal

19，

动态范围DR :ADC最大不造成畸变输入信号与最小可分辨输入信号的功率比.量化

E?22满刻度均方值与量化噪声均方值之比DR?10log

20， 无杂散动态范围SFDR 在0到fs频率范围内信号基波频率分量幅值与最大谐波之

比。也指在0到fs频率范围内信号基波频率分量均方值与最大谐波均方根之比

4

SFDR?20logVsignalVmax?harmonics

21，

信号和噪声和畸变比SNDR信号和噪声,信号谐波功率比.输入带宽SNDR最大值下

降3dBdB输入信号频率。

SNDR?20log(VsignalVnoise?harmonic)

22， 有效位数ENOB ADC 的实际分辨率

SNDR?1.76dB6.02dBENOB?

23， 信号和噪声及失真比SINAD 信号均方值和频谱元素中除去信号和直流部分的比

值得到

5

1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 Vi??Vi??? ???Vi??Vi??? Vi??Vi???? 当Vcmp1??Vcmp1??0，Comp1+?0,Comp1-=1 当Vcmp2??Vcmp2??0，Comp2+?0,Comp2-=1 Comp1+ 1 0 0 Comp1- 0 1 1 Comp2+ 1 1 0 Comp2- 0 0 1 Vin Vi??Vi??? ???Vi??Vi??? Vi??Vi???? 但一般要求第一种情况。就是 当Vcmp1??Vcmp1??0，Comp1+?1,Comp1-=0 当Vcmp2??Vcmp2??0，Comp2+?1,Comp2-=0 5， 子ADC的输出码

当Vcmp1??Vcmp1??0，Comp1+?1,Comp1-=0 当Vcmp2??Vcmp2??0，Comp2+?1,Comp2-=0 Comp1+ 1 0 0 Comp1- 0 1 1 Comp2+ 1 1 0 Comp2- 0 0 1 B1 1 0 0 B2 0 1 0 Vin Vi??Vi??? ???Vi??Vi??? Vi??Vi???? 用译码器实现。 把温度码转换为二进制码

6， 子DAC的编码，选择电路

当Vcmp1??Vcmp1??0，Comp1+?1,Comp1-=0 当Vcmp2??Vcmp2??0，Comp2+?1,Comp2-=0 Comp1+ Comp1- Comp2+ Comp2- c b a 1 0 1 0 1 0 0 Dac+ Vref+ Dac- Vref- Vin Vi??Vi??? 16

0 0

1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 Vcm Vref- Vcm Vref+ ???Vi??Vi??? Vi??Vi????

本设计中每级均为1.shit，级间增益为2，正负输入端采样电容都为2个，大小相等，均为C，分别用C1~C2和C3~C4来表示，?1和?2为两相不交叠主时钟，分别控制MDAC处于采样放大状态，

当?1有效(为高电平)时，电路处于采样状态，C1~C2和C3~C4的右极板分别接在一起，共同连接到偏置电压Vcm，MDAC的正负输入信号分别连接到电容C1~C2和C3~C4的左极板上;当?2有效(为高电平)时，Vcm断开，C2和C4的左极板分别连接正负参考电压。 对运放正输入端来说，这时电容C1~C2储存的电荷就为:

Q1?(C1?C2)(Vi??Vcm)

?对运放负输入端来说，这时电容C3~C4储存的电荷就为:

Q1?(C3?C4)(Vi??Vcm)

?当?2有效时，电路处于放大状态，C1和C3的左极板接到了运放的输出端，对于正输入端来说，这时电容C1~C2:右极板上的电荷是

Q2?C1(Vo??Vcm)?C2(Vdac??Vcm)

?同理，推导出C3~C4上右极板上的电荷为:

Q2?C3(Vo??Vcm)?C4(Vdac??Vcm)

?根据电荷守恒原理，采样期间和放大期间的电荷守恒，

C1?C2?C3?C4?C

Q1?Q2?C(Vdac??Vo??2Vcm)

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??Q1?Q2?C(Vdac??Vo??2Vcm)

??最后得到Vo??Vo??2(Vi??Vi?)?(Vdac??Vdac?)

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