雙積分型AD轉(zhuǎn)換器中的自動(dòng)校零技術(shù)

1、雙積分型AD轉(zhuǎn)換器中的自動(dòng)校零技術(shù)摘要:介紹了雙積分型A/D變換器的架構(gòu)，并著重從理論上分析了該A/D轉(zhuǎn)換器中的自動(dòng)校零技術(shù)。自動(dòng)校零技術(shù)是將運(yùn)放串聯(lián)組成閉合回路，使運(yùn)放失調(diào)電壓進(jìn)行疊加，對(duì)這個(gè)疊加后的電壓利用一個(gè)校零電容進(jìn)行存儲(chǔ)和抵消。最后，對(duì)作為A/D轉(zhuǎn)換器核心電路的運(yùn)放進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。關(guān)鍵詞:雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器自動(dòng)校零技術(shù)失調(diào)電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，關(guān)鍵部件是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口，長(zhǎng)期以來一直被廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：雷達(dá)、通信、測(cè)控、儀表、圖像和音頻等1。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng),電路較簡(jiǎn)單。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器輸入端

2、使用了積分器，對(duì)交流噪聲有很強(qiáng)的抑制能力，在積分時(shí)間等于交流電網(wǎng)周期的整數(shù)倍時(shí)，能有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求較高、對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合，例如數(shù)字電壓表等檢測(cè)儀器的核心芯片中，應(yīng)用十分廣泛2。1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由以下幾部分構(gòu)成：帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、過零比較器、邏輯控制單元和計(jì)數(shù)器,通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，還應(yīng)該在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器通過對(duì)模擬輸入信號(hào)的兩次積分,部分抵消了由于斜坡發(fā)生器所產(chǎn)生的誤

3、差，從而使轉(zhuǎn)換精度有多所提高。雙積分型轉(zhuǎn)換方式能夠達(dá)到22位轉(zhuǎn)換精度并且由于積分電容的作用，高頻噪聲可以有效地被大幅制止。但是，由于它的轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換精度也會(huì)隨轉(zhuǎn)換速率的增加而有所降低，每秒100300次對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度為12位。所以雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用領(lǐng)域主要在低速高精度的轉(zhuǎn)換。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有以下幾個(gè)組成部分：積分器、過零比較器、計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘脈沖等3。轉(zhuǎn)換器的核心部分是積分器，定時(shí)信號(hào)控制它的輸入端所接開關(guān)S1。當(dāng)為不同電平時(shí)，極性相反的輸入電壓v1和參考電壓vref將分別加到積分器的輸入端，進(jìn)行兩次方向相反的積分，積分時(shí)間常數(shù)t=RC過零比較器的作用是用來確定積分器的輸出電壓

4、v0過零的時(shí)刻。當(dāng)v00時(shí)，比較器輸出vc為低電平；當(dāng)vOWO時(shí),vc為高電平。比較器的輸出信號(hào)接至?xí)r鐘控制門作為關(guān)門和開門的信號(hào)。計(jì)數(shù)器是由n+1個(gè)接成計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器FF0FFn串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF0FFn-1組成n級(jí)計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖CP計(jì)數(shù),以便把與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)到2n個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，F(xiàn)FOFFn-1均回到0態(tài)，而FFn翻轉(zhuǎn)到1態(tài),Qn=1后開關(guān)S1從位置A轉(zhuǎn)接到B。時(shí)鐘脈沖源作為測(cè)量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，它的標(biāo)準(zhǔn)周期為Tc門打開時(shí)，時(shí)鐘脈沖通過門加到觸發(fā)器FF0的輸入端。2自動(dòng)校零技術(shù)內(nèi)部的積分器是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的核心，而積分器的性能又是

5、由運(yùn)放所決定，所以，這就說明A/D轉(zhuǎn)換器的性能是由運(yùn)放的性能所決定的。運(yùn)放的失調(diào)電壓主要是由以下兩方面所引起的：制造工藝的不確定性；(2)封裝后的機(jī)械壓力，可以采用失調(diào)消除技術(shù)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理，其中的一種就是自動(dòng)校零技術(shù)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器自動(dòng)校零的等效電路圖如圖2所示，由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成：緩沖器、積分運(yùn)放、比較器構(gòu)成。3運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)運(yùn)放作為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的核心電路，能夠直接影響其性能。要想同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高增益和較大輸出擺幅，則應(yīng)該可以采用兩級(jí)運(yùn)放,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。高增益可由第一級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)，大輸出擺幅則有第二級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)，這樣,可以補(bǔ)償?shù)谝患?jí)犧牲的擺幅，并且使增益得到進(jìn)一步的提升，電路結(jié)構(gòu)

6、如圖4所示。信號(hào)輸入由差分對(duì)管兩端輸入,差模電壓被轉(zhuǎn)化為差模電流，差模電流作用在電流鏡負(fù)載上又轉(zhuǎn)化成差模電壓,第一次放大后的信號(hào)電壓被轉(zhuǎn)化為單端輸出，隨即進(jìn)入共源級(jí)再次被放大后從漏端輸出。采用Tspice對(duì)電路進(jìn)行仿真，該運(yùn)放的直流開環(huán)增益為56dB,單位增益帶寬為1kHz,相位裕度為68度。4結(jié)語簡(jiǎn)要介紹了雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)，從理論上分析了通過在雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器中引入自動(dòng)校零技術(shù)能夠使運(yùn)放失調(diào)電壓進(jìn)行疊加并最終抵消。最后，對(duì)作為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器核心電路的運(yùn)放進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。參考文獻(xiàn)李袖榕,李卓軒.A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展J.光電技術(shù)應(yīng)用,2010:4549.楊榮彬.基于雙積分原理的模