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开关电容式模数转换器(ADC)的框图介绍

着消费电子设备尺寸的不断减小和复杂性的增加,强烈要求将越来越多的功能集成到单个芯片上。进行这种集成的原因很多。电路板设计变得更简单,需要放置的设备更少,布线的互连更少。
在纯数字环境中,集成以惊人的速度发展。在过去的十年中,数字集成已从根本上改变了DVD播放器,AVR和MP3播放器等消费类电子产品的系统设计。消费者已经重复了更快

着消费电子设备尺寸的不断减小和复杂性的增加,强烈要求将越来越多的功能集成到单个芯片上。进行这种集成的原因很多。电路板设计变得更简单,需要放置的设备更少,布线的互连更少。
在纯数字环境中,集成以惊人的速度发展。在过去的十年中,数字集成已从根本上改变了DVD播放器,AVR和MP3播放器等消费类电子产品的系统设计。消费者已经重复了更快,更便宜和更小的消费电子设备的好处。当人们试图合并信号路径的模拟和数字部分时,这种集成路径变得更加困难。在许多消费电子应用中,大型数字片上系统(SoC)IC已开始包含此模拟功能。这里的挑战是极端的。尽管进行了许多工艺改进,例如深n阱技术,该技术将模拟电路与数字核隔离开来,设计人员  终试图将高性能模拟转换器与快速且嘈杂的数字信号处理器(DSP)放置在同一基板上。迄今为止,很少有设备能够将其真正的高性能转换器和高速DSP推向市场。为了解决这一挑战,有必要研究对芯片上数字电路的干扰较不敏感的新型转换器架构。
传统的开关电容架构
大多数现代音频转换器都采用开关电容架构。图1给出了简化的开关电容式模数转换器(ADC)的框图。
   

开关电容器DAC的架构相似,尽管随后的讨论将重点放在ADC上,但分析也适用于DAC。在ADC中,将输入音频信号采样到采样电容器tex_C_ {s} [/ tex],然后传输到积分电容器tex(C_ {i})[/ tex]。使用两相时钟,其中输入在phi1上采样,并与phi2上的反馈信号±Vref一起传输到积分电容器。该架构的关键时间是phi1开关断开,而phi2开关闭合。这是采样输入信号并将其提供给积分器的时间点。输入或地面上的任何噪声都将被采样并出现在ADC输出中。转换器设计中的一种常用技术是对数字时钟计时,以使其在采样事件之后发生。


数字时钟的边缘将始终将与信号相关的噪声注入到基板中,该基板将找到通往参考节点或采样电容器接地节点的路径。只要在采样事件之后发生数字边沿,就不会在ADC输入端采样到任何噪声。
在独立转换器中,这种噪声管理易于实现。所有时钟通常都来自单一来源,因此确保模拟和数字时钟之间的时序关系非常简单。即使数字时钟比模拟时钟快,也很容易找到安全区域来放置这些数字边沿。在一个复杂的DSP上,异步数字内核的运行速度可能比转换器要快得多,这个问题要困难得多。图3显示了问题的性质。


   

 无法保证采样事件的安全时间。在某些解决方案中,DSP只是停顿了多个周期以创建一个安全的采样事件,如图3中的阴影框所示。这可以有效地消除DSP与转换器之间的耦合,但这样做的代价是MIPS。假设典型的6.144 MHz转换器时钟和98.3 MHz DSP时钟(转换器时钟的16倍)。如果选择使处理器停顿3个时钟,以确保采样事件周围有一定余量,那么这将消耗芯片处理能力的近20%。