數轉換器 （ADC） 將模擬世界連接到數字世界，因此是連接到現實世界的任何電子系統的基本部件。它們也是決定系統性能的關鍵因素。本系列文章探討 ADC 的基礎知識、各種 ADC 類型及其應用。第 1 部分討論了 SAR ADC；第 2 部分討論了三角積分 （Δ?） 轉換器；本文為第 3 部分，將討論流水線 ADC 的特性、特征和用法。第 4 部分將說明三角積分 ADC 如何生成超低噪聲結果。 ADC 服務的一些應用包括超高速多載波蜂窩基礎設施基站、電信、數字預校正觀測和回程接收器等——所有這些應用逐漸都要求 ADC 在每秒千兆次采樣區間內進行采樣。該模擬基礎知識系列的第 1 部分和第 2 部分分別討論了逐次逼近寄存器 （SAR） 和三角積分 （Δ?） ADC，以及如何在相應應用中使用這些 ADC。不過，這兩種技術都無法應對生成每秒千兆次采樣 （GSPS） 結果的挑戰。例如，SAR ADC 使用“快照”算法，由于采用串行方法，因此速度限制為不超過每秒 10 兆次采樣 （MSPS）。當使用高分辨率 Δ? ADC 的過采樣算法時，將需要額外的時間來采集多個樣本并求平均，從而生成最高 5 兆赫茲 （MHz） 的 24 位輸出數據速率。GSPS 速率遠遠超出了 SAR ADC 和 Δ? ADC 的采樣頻率范圍。流水線 ADC 就是應對這一超高速 ADC 挑戰的解決方案，能夠在處理多個采樣的同時，仍以 GSPS 的速度將數據發送至其輸出端。本文先簡要比較 Δ?、SAR 和流水線 ADC，接著討論與實現高速轉換器輸出相關的問題，以及為什么流水線 ADC 是這類高速應用的理想替代品。然后介紹 Texas Instruments 的兩款流水線 ADC，其中一款強調精度，另一款則強調高速度，最后介紹如何開始使用這些 ADC。

　　什么是流水線 ADC？

　　流水線 ADC 由多個連續的級組成。第一級采用差分結構，先評估最高有效位 （MSB） 的值，然后調節信號，并將其傳遞到下一級進行 MSB-1 轉換。每個級都與其他級并行執行操作。

　　圖 1：流水線拓撲具有多個級，分別執行多位轉換器的一個位的轉換，然后調節信號，并將信號傳遞到下一級。（圖片來源： Texas Instruments）

　　在圖 1 中，各級的功能相似，僅解析一位或兩位。每個級都有采樣保持、低分辨率閃速 ADC 和信號調節功能。第一級接收樣本，并立即產生 MSB 決策。MSB 數字值進入第一個鎖存器（鎖存器 1）。如果 MSB 決策為 1，則該級將從樣本中減去 MSB 值的電荷。然后，流水線轉換器對剩余電荷應用 2 倍的增益倍數。當一個級完成其操作時，便將模擬差異傳遞到后續級。若設計采用 2 倍增益倍數，其優點在于，第 1 級至第 n 級基本上都是相同的電路。級數通常與 ADC 位數相匹配。最終轉換輸出會在輸出鎖存器中將每個級的數字結果組合起來。該轉換過程會造成若干時鐘周期的數據延時。