雙積分型AD轉(zhuǎn)換器中的自動校零技術(shù)

1、雙積分型AD轉(zhuǎn)換器中的自動校零技術(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)換器中的自動校零技術(shù)。自動校零技術(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，對這個疊加后的電壓利用一個校零電容進(jìn)行存儲和抵消。最后，對作為A/D轉(zhuǎn)換器核心電路的運(yùn)放進(jìn)行了設(shè)計和仿真。關(guān)鍵詞:雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器自動校零技術(shù)失調(diào)電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，關(guān)鍵部件是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口，長期以來一直被廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：雷達(dá)、通信、測控、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),電路較簡單。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器輸入端

2、使用了積分器，對交流噪聲有很強(qiáng)的抑制能力，在積分時間等于交流電網(wǎng)周期的整數(shù)倍時，能有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在對轉(zhuǎn)換精度要求較高、對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合，例如數(shù)字電壓表等檢測儀器的核心芯片中，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間間隔。同時，實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，還應(yīng)該在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器通過對模擬輸入信號的兩次積分,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)換精度也會隨轉(zhuǎn)換速率的增加而有所降低，每秒100300次對應(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)換器有以下幾個組成部分：積分器、過零比較器、計數(shù)器和時鐘脈沖等3。轉(zhuǎn)換器的核心部分是積分器，定時信號控制它的輸入端所接開關(guān)S1。當(dāng)為不同電平時，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過零的時刻。當(dāng)v00時，比較器輸出vc為低電平；當(dāng)vOWO時,vc為高電平。比較器的輸出信號接至?xí)r鐘控制門作為關(guān)門和開門的信號。計數(shù)器是由n+1個接成計數(shù)器的觸發(fā)器FF0FFn串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF0FFn-1組成n級計數(shù)器，對輸入時鐘脈沖CP計數(shù),以便把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。當(dāng)計數(shù)到2n個時鐘脈沖時，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。時鐘脈沖源作為測量時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時間，它的標(biāo)準(zhǔn)周期為Tc門打開時，時鐘脈沖通過門加到觸發(fā)器FF0的輸入端。2自動校零技術(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)對其進(jìn)行相關(guān)處理，其中的一種就是自動校零技術(shù)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器自動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)該可以采用兩級運(yùn)放,并且結(jié)構(gòu)簡單。高增益可由第一級放大器實(shí)現(xiàn)，大輸出擺幅則有第二級放大器實(shí)現(xiàn)，這樣,可以補(bǔ)償?shù)谝患墵奚臄[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。信號輸入由差分對管兩端輸入,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電壓被轉(zhuǎn)化為單端輸出，隨即進(jìn)入共源級再次被放大后從漏端輸出。采用Tspice對電路進(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