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流水线ADC的采样保持电路及MDAC电路设计
概述
模拟数字转换器（ADC）是一种广泛应用于通信、控制、自动化等领域的电子器件，该器件通过对模拟信号进行采样、量化和编码，将其转化为数字信号。在许多应用场合中，采用流水线ADC可以实现高速高效的模拟信号转换。
本文将重点介绍流水线ADC的采样保持电路及MDAC电路的设计。采样保持电路用于对模拟信号进行采样和保持，MDAC则用于对已经采样并保持的信号进行编码。本文将详细说明两个电路的基本原理及设计方法，并讨论它们在流水线ADC系统中的应用。
采样保持电路（SampleandHold）
采样保持电路是ADC中的重要组成部分，它用于对连续、不间断的模拟信号进行采样和保持。采样保持电路输入端接受模拟信号，同时将这个模拟信号保持在一定的时间内，直到采样器发出采样信号为止。采样保持电路的输出即为采样的电平。
采样保持电路主要由采样器、保持电路和缓冲放大器三部分组成。
采样器用于控制采样保持电路的采样功能。一般来说，采样器可以利用开关或者MOSFET来实现。保持电路用于在采样结束之后保持采样的电平不变，并将其输出。这需要使用带有高电阻输入的缓冲放大器来保证电平精度不受干扰。
在实际使用中，采样保持电路的性能主要受到两个因素的影响：快速响应和维持时间。快速响应是指采样保持电路对输入信号的采样速度，而维持时间是指采样保持电路的输出保持时间。通常情况下，采样保持电路的响应速度越快，精度越高，但是在采样保持电路设计中，快速响应和维持时间之间往往存在一定的矛盾。因此，设计人员必须在两者之间权衡，以满足系统要求。
MDAC电路
MDAC（多电平差分放大器）电路是ADC中的另一个重要组成部分。MDAC电路用于将采样保持电路的输出电平转换为数字信号。MDAC电路的主要功能是将模拟信号的幅度与参考电平进行比较，然后产生一个差分电压。该差分电压会钳制为数字电平，在ADC中采用二进制编码进行表示。
MDAC电路主要由两个重要的部分组成：比较器和反馈网络（电容阵列）。比较器是从采样保持电路输出信号流中表示数字电平的主要组成部分。比较器会将输入信号与内部参考电压进行比较，并输出差分电压。反馈网络则用于将比较器的差分输出电压累加到输入信号上，以产生更高的分辨率。
MDAC电路设计时要关注两个方面的考虑：动态性能和静态性能。静态性能指的是MDAC电路在恒定输入下的性能表现，主要包括电压增益、带宽和失调（offset）等参数。而动态性能则关注MDAC电路在非恒定输入下的性能表现，主要包括取样保持时间、采样率等参数。
MDAC电路设计时，需要在两者之间进行平衡。准确预测转换器的动态性能以及基础电路的静态性能可以满足既定的性能规范。
流水线ADC的设计
基于上述采样保持电路和MDAC电路的基本原理，我们可以进行流水线ADC的设计。在流水线ADC中，不同的流阶段分别采用不同的采样保持电路和MDAC电路，共同实现模拟信号的高速高效转换成数字信号。
具体的流水线ADC设计如下所示：
1.输入采样
这是整个ADC转换过程的第一阶段，也称为输入采样阶段。输入采样阶段的主要任务是将输入模拟信号放大，并将其作为采样保持电路的输入信号。此阶段需要达到高增益和高精度的要求。
2.第一级MDAC电路
第一级MDAC电路是ADC流水线的第一层，它利用前一级输入采样器输出的样本进行信号编码。通常情况下，第一级MDAC电路需要具有高速度和高增益。此外，为了避免数据差错，第一级MDAC电路在输出信号中需要增加高精度噪声过滤器。
3.中间流阶
中间流阶是ADC流水线的中间部分，它主要用于缓冲上一阶段的输出信号，并将其传输到下一级。该阶段通常包括一个建立/保持放大器和一个电容阵列。
4.第二级MDAC电路
第二级MDAC电路是ADC流水线的第二层，它接收从中间流阶传递下来的信号，并将其进行编码。第二级MDAC电路需要与第一级MDAC电路相同，并且需要满足与采样保持电路一样高采样速度和精度要求。
5.输出缓冲
输出缓冲是流水线ADC的最后一个阶段。其主要功能是缓存ADC的数字输出，并将其传输到下一阶段。由于数字信号已经经过编码，因此输出缓冲的主要注意事项是确保信号的稳定传输和最小失真。
总结
采样保持电路和MDAC电路是流水线ADC的两个重要组成部分。采样保持电路用于对模拟信号进行采样和保持，MDAC电路则用于将采样保持电路的输出电平转换为数字信号。在流水线ADC的系统设计中，必须平衡采样速度、精度和稳定性等多个要素。理解ADC的基本原理和特点，进行合理的设计和优化，可以实现高速高效的模拟信号转换，满足实际应用需要。