模数转换器 (A/D转换器) 将模拟信号转换成数字信号, 关键部件是模拟系统与数字系统接口, 长期以来一直被广泛应用于以下领域:雷达、通信、测控、仪表、图像和音频等[1]。
双积分型A/D转换器性能比较稳定, 转换精度高, 抗干扰能力强, 电路较简单。双积分型A/D转换器输入端使用了积分器, 对交流噪声有很强的抑制能力, 在积分时间等于交流电网周期的整数倍时, 能有效地抑制电网的工频干扰。双积分型A/D转换器在对转换精度要求较高、对转换速度要求不高的场合, 例如数字电压表等检测仪器的核心芯片中, 应用十分广泛[2]。
双积分型A/D转换器结构如图1所示, 它是由以下几部分构成:带有输入切换开关的模拟积分器、过零比较器、逻辑控制单元和计数器, 通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。同时, 实现A/D的转换, 还应该在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数。双积分型A/D转换器通过对模拟输入信号的两次积分, 部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差, 从而使转换精度有多所提高。双积分型转换方式能够达到22位转换精度并且由于积分电容的作用, 高频噪声可以有效地被大幅制止。但是, 由于它的转换速度慢, 转换精度也会随转换速率的增加而有所降低, 每秒100~300次对应的转换精度为12位。所以双积分型A/D转换器的应用领域主要在低速高精度的转换。
双积分型A/D转换器有以下几个组成部分:积分器、过零比较器、计数器和时钟脉冲等[3]。
转换器的核心部分是积分器, 定时信号控制它的输入端所接开关S1。当为不同电平时, 极性相反的输入电压v1和参考电压vref将分别加到积分器的输入端, 进行两次方向相反的积分, 积分时间常数τ=RC。
过零比较器的作用是用来确定积分器的输出电压v0过零的时刻。当v0>0时, 比较器输出vc为低电平;当v0≤0时, vc为高电平。比较器的输出信号接至时钟控制门作为关门和开门的信号。
计数器是由n+1个接成计数器的触发器FF0~FFn串联组成。触发器FF0~FFn-1组成n级计数器, 对输入时钟脉冲C P计数, 以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变为数字信号输出。当计数到2n个时钟脉冲时, FF0~FFn-1均回到0态, 而FFn翻转到1态, Qn=1后开关S1从位置A转接到B。
时钟脉冲源作为测量时间间隔的标准时间, 它的标准周期为Tc。门打开时, 时钟脉冲通过门加到触发器FF0的输入端。
内部的积分器是双积分型A/D转换器的核心, 而积分器的性能又是由运放所决定, 所以, 这就说明A/D转换器的性能是由运放的性能所决定的。运放的失调电压主要是由以下两方面所引起的: (1) 制造工艺的不确定性; (2) 封装后的机械压力, 可以采用失调消除技术对其进行相关处理, 其中的一种就是自动校零技术。双积分型A/D转换器自动校零的等效电路图如图2所示, 由以下结构构成:缓冲器、积分运放、比较器构成。 () t INTINTV t C=∫
图2中CINT和CAZ分别为外接的积分电容和校零电容, VOS1、VOS2、VOS3分别为跟随器、积分器、比较器的输入失调电压, 由图2可得校零结束时CINT、CAZ上的电压分别为VINT (0) 、VAZ (0) 。
输入失调电压随时间的变化极为缓慢, 因此认为失调电压是不随时间变化的参数, 被测电压和基准电压反积分阶段A/D转换器的等效电路如图3所示。
在积分阶段, A1的同向端接被测电压的正端VI+ (t) , A2的同向端接被测电压的负端VI- (t) , A1为缓冲器, A2为积分器, A3为比较器。
流过积分电容的电流为:
所以,
将 (1) 、 (2) 式代入 (6) 式, 且在t=T0 (T0为被测电压积分时间) 时有
在基准电压反积分阶段, A1、A2的同向端与参考电容 (其上电压为VREF) 相接, 并且与积分时电压相反, 当图3中VC=VD (此时t=T1) 时反向积分结束。
(8) 此时C点的电压为VC=VOS3+VINT (T1) -VAZ (t) +VD, 由于VC=VD, 把 (2) 式、 (7) 式代入 (8) 式并整理得
(9) T1-T0为反向积分时间, 因双积分型A/D转换器主要用于测量直流或变化极为缓慢的信号, 认为VI+ (t) -VI- (t) 在一个测量周期内为恒量, 即VI (t) =V1则有:
a即为A/D转换器的读数。通过以上理论推导证明出运放的失调电压得以完全消除。但是在实际操作中, 因为输门来控制开关, 所以想要完全消除时钟馈通引起的电荷注入产生的失调还只限于理论推导。
运放作为双积分型A/D转换器的核心电路, 能够直接影响其性能。要想同时实现较高增益和较大输出摆幅, 则应该可以采用两级运放, 并且结构简单。高增益可由第一级放大器实现, 大输出摆幅则有第二级放大器实现, 这样, 可以补偿第一级牺牲的摆幅, 并且使增益得到进一步的提升, 电路结构如图4所示。信号输入由差分对管两端输入, 差模电压被转化为差模电流, 差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压, 第一次放大后的信号电压被转化为单端输出, 随即进入共源级再次被放大后从漏端输出。
采用Tspice对电路进行仿真, 该运放的直流开环增益为5 6 d B, 单位增益带宽为1k dHtz, 相位裕度为68度。
简要介绍了双积分型A/D转换器的架构, 从理论上分析了通过在双积分型A/D转换器中引入自动校零技术能够使运放失调电压进行叠加并最终抵消。最后, 对作为双积分型A/D转换器核心电路的运放进行了设计和仿真。
摘要：介绍了双积分型A/D变换器的架构, 并着重从理论上分析了该A/D转换器中的自动校零技术。自动校零技术是将运放串联组成闭合回路, 使运放失调电压进行叠加, 对这个叠加后的电压利用一个校零电容进行存储和抵消。最后, 对作为A/D转换器核心电路的运放进行了设计和仿真。
关键词：双积分型A/D转换器,自动校零技术,失调电压
[1] 李袖榕, 李卓轩.A/D转换技术的应用与发展[J].光电技术应用, 2010:45～49.
[2] 杨荣彬.基于双积分原理的模数转换器芯片的设计[D].电子科技大学, 硕士学位论文, 2008.
[3] WaltKester, James Bryant.ADC Ar-chitectures VIII:Integrating ADCs[EB/OL].http://www.analog.com.
