本书是第一本从模拟和数字两种信号处理相结合的角度全面介绍数据转换器的研究生教材。每章中的引导性材料以及众多的实例加强了本书的广度和深度。大多数实例是以计算机工具行为仿真的形式给出的。这些实例和章末的习题有助于理解相关内容，也有利于使用某些工具进行自我练习，这些工具对培训或设计工作是很有效的。
　　本书对工程技术人员也是一本必不可少的教科书，因为它弥补了本专题的资料缺乏系统化、条理化的不足。本书假定读者具备模拟和数字电路的扎实基础；具有使用电路和行为分析仿真工具的基础。具有统计分析的基础也是有用的，但不是绝对必要的。

　　●为使读者能清晰地理解采样、量化、采样数据系统中的噪声，本书涵盖了这方面必需的所有基础知识；涵盖了采样数据线性系统中的数学工具。
　　● 全面定义了用于描述数据转换器的参数，这些参数的定义对理解转换器产品数据手册是必要的。
　　● 涵盖了奈奎斯特率数据转换器的所有架构，详细研究了其特点、限制和设计技术；
　　●详细研究了过采样和Sigma-Delta转换器，利用仿真例子和频谱图、直方图来帮助读者更清楚地理解噪声整形的特性和限制。
　　● 涵盖了提高数据转换器性能的数字校正和数字校准技术。；
　　● 使用理论和直观的观点解释电路和系统的工作和限制。
　　● 涵盖了测试方法和用于测试和表征转换器性能的数据处理技术。
　　● 在例题和习题集中广泛使用Simulink和Matlab，以帮助读者理解和促进深入研究。
　　本书既可作为微电子技术及相关专业研究生和本科高年级学生的教材，也可供从事集成电路设计的工程师和科技人员参考。

　　佛朗哥·马洛贝蒂 意大利帕维亚大学（PaviaUniversity）教授，微集成系统组的负责人，IEEE会士。主要研究领域是集成电路的的设计、分析和表征以及模数应用。获得过2007年欧洲固态电路年会（ESSCIRC）最佳论文奖、2007年日本电机工程师学会（IEEJ）模拟工作坊最佳论文奖等多个奖项。
　　译者的话
　　数据转换器，包括ADC和DAC，是连接模拟信号和数字信号的桥梁，在数字电路和数字信号处理技术高速发展的今天，集成电路中的数据转换器正越来越体现其重要性，因为

　　佛朗哥·马洛贝蒂 意大利帕维亚大学（PaviaUniversity）教授，微集成系统组的负责人，IEEE会士。主要研究领域是集成电路的的设计、分析和表征以及模数应用。获得过2007年欧洲固态电路年会（ESSCIRC）最佳论文奖、2007年日本电机工程师学会（IEEJ）模拟工作坊最佳论文奖等多个奖项。

　　译者的话

　　数据转换器，包括ADC和DAC，是连接模拟信号和数字信号的桥梁，在数字电路和数字信号处理技术高速发展的今天，集成电路中的数据转换器正越来越体现其重要性，因为自然界的信号本质上是模拟的。数据转换器的性能往往是SoC系统的瓶颈，其性能的高低往往决定了一个电子信息处理系统的性能。近年来，数据转换器电路技术发展迅速，传统结构的ADC和DAC不断向深亚微米和低电压、低功耗发展，新的技术如数字校准、时间交错、连续时间ΣΔ调制、电荷域ADC等技术的出现，不断推动数据转换器向更高速、更高精度和更低的功耗方向发展。
　　本书全面介绍了数据转换器的技术规范、体系结构、电路设计和性能测试，融合了模拟信号处理和数字信号处理的相关知识。本书不仅介绍了数据转换器电路方面的内容，更富有特色的是，在行为级对数据转换器进行了建模和定量分析验证，使得读者在可以站在比较高的层面来权衡数据转换器电路设计中的性能指标的折中，这是以往的数据转换器教科书所缺乏的内容。本书曾在美国得克萨斯A&M大学、得克萨斯大学和意大利的帕维亚大学作为教材，书中的例题和习题大量使用了Matlab和Simulink行为级的模型作为仿真验证工具。本书可作为微电子技术和相关专业的高年级本科生和研究生的教科书，也可作为集成电路设计的工程师和科研工作者的参考书。
　　本书由程军组织翻译和审校。全书共9章，程军翻译了前言和第2、8、9章，陈贵灿翻译了第1章和第4章，王红义翻译了第3章和第5章，张鸿翻译了第6章和第7章。全书由程军和陈贵灿统稿和初审，对原书中一些排校等方面的错误进行了纠正(在修改处加译者注或右上角加星号*)。西安交通大学出版社的赵丽平编审在组织筹备和编辑工作中给予了很大的帮助和支持，在此深表感谢。
由于译者水平和经验所限，译文中难免有错误与不当之处，敬请广大读者批评指出。
                                                        

                                     译者
                                       2013年5月
　　于西安交通大学微电子学系

译者的话
前言
第1章 背景知识与基础
1.1 理想的数据转换器
1.2 采样
1.2.1 欠采样(Undersampling)
1.2.2 采样时间的抖动
1.3 幅度的量化
1.3.1 量化噪声
1.3.2 量化噪声的性质
1.4 kT/C噪声
1.5 离散与快速傅里叶变换
1.5.1 加窗
1.6 编码方案
1.7 D/A转换器

译者的话
前言
第1章 背景知识与基础
  1.1  理想的数据转换器
  1.2  采样
    1.2.1  欠采样(Undersampling)
    1.2.2  采样时间的抖动
  1.3  幅度的量化
    1.3.1  量化噪声
    1.3.2  量化噪声的性质
  1.4  kT/C噪声
  1.5  离散与快速傅里叶变换
    1.5.1  加窗
  1.6  编码方案
  1.7  D/A转换器
    1.7.1  理想的重建
    1.7.2  实际的重建
  1.8  Z变换
  参考文献
第2章 数据转换器规格
  2.1  数据转换器类别
  2.2  工作条件
  2.3  转换器性能参数
    2.3.1  基本特性参数
  2.4  静态性能参数
  2.5  动态性能参数
  2.6  数字和开关性能参数
  参考文献
第3章 奈奎斯特率数模转换器
  3.1  概述
    3.1.1  DAC的应用
    3.1.2  电压和电流基准
  3.2  转换器的类型
  3.3  电阻型架构
    3.3.1  电阻分压器
    3.3.2  X-Y选择
    3.3.3  输出电压的建立
    3.3.4  分段架构
    3.3.5  失配的影响
    3.3.6  修正与校准
    3.3.7  数字电位器
    3.3.8  R-2R梯形网络DAC
    3.3.9  毛刺消除
  3.4  电容型架构
    3.4.1  电容分压DAC
    3.4.2  容性MDAC
    3.4.3  翻转式MDAC
    3.4.4  电容电阻混合型DAC
  3.5  电流源型架构
    3.5.1  基本工作原理
    3.5.2  单位电流产生器
    3.5.3  单位电流源选择的随机失配
    3.5.4  电流源选择方案
    3.5.5  电流切换和分段
    3.5.6  电流源切换
  3.6  其它架构
  参考文献
第4章 奈奎斯特率模数转换器
  4.1  引言
  4.2  定时的精确性
    4.2.1  亚稳态误差
  4.3  全闪速转换器
    4.3.1  参考电压
    4.3.2  比较器的失调
    4.3.3  失调的自动调零
    4.3.4  实际的限制
  4.4  子分区法和两步法的转换器
    4.4.1  精度要求
    4.4.2  作为非线性过程的两步转换
  4.5  折叠与内插
    4.5.1  双重折叠
    4.5.2  插值
    4.5.3  闪速转换器中使用插值
    4.5.4  折叠结构中使用插值
    4.5.5  插值用于提高线性度
  4.6  时间交错转换器
    4.6.1  精度要求
  4.7  逐次逼近转换器
    4.7.1  误差与误差校正
    4.7.2  电荷再分配
  4.8  流水线转换器
    4.8.1  精度要求
    4.8.2  数字校正
    4.8.3  动态性能
    4.8.4  采样数据的余量产生器
  4.9  其他结构
    4.9.1  循环(或算法)转换器
    4.9.2  积分转换器
    4.9.3  电压频率转换器
  参考文献
第5章 数据转换器电路
  5.1  采样保持电路
  5.2  二极管桥式采样保持电路
    5.2.1  二极管桥的缺点
    5.2.2  改进的二极管桥
  5.3  开关射极跟随器
    5.3.1  电路实现
    5.3.2  双极型互补采样保持电路
  5.4  双极型采样保持电路的特点
  5.5  CMOS采样保持电路
    5.5.1  时钟馈通
    5.5.2  时钟馈通补偿
    5.5.3  两级OTA构成的跟踪保持(T＆H)电路
    5.5.4  CMOS采样保持(S＆H)电路中虚拟地的使用
    5.5.5  噪声分析
  5.6  低电源电压下的CMOS开关
    5.6.1  开关自举电路
  5.7  折叠放大器
    5.7.1  电流折叠
    5.7.2  电压折叠
  5.8  电压电流转换器
  5.9  时钟产生
  参考文献
第6章 过采样和低阶ΣΔ调制器
  6.1  概述
    6.1.1  Δ和ΣΔ调制
  6.2  噪声整形
  6.3  一阶调制器
    6.3.1  直观看法
    6.3.2  1位量化的使用
  6.4  二阶调制器
  6.5  电路设计问题
    6.5.1  失调
    6.5.2  运算放大器有限增益
    6.5.3  运放的有限带宽
    6.5.4  有限的运算放大器压摆率
    6.5.5  ADC的非理想特性
    6.5.6  DAC的非理想特性
  6.6  结构设计问题
    6.6.1  积分器的动态范围
    6.6.2  动态范围优化
    6.6.3  数据采样电路的实现
    6.6.4  噪声分析
    6.6.5  量化误差与抖动(dither)
    6.6.6  1位和多位量化器
  参考文献
第7章 高阶ΣΔ ADC、连续时间ΣΔ ADC和ΣΔ DAC
  7.1  信噪比(SNR)增强技术
  7.2  高阶噪声整形
    7.2.1  单级结构
    7.2.2  稳定性分析
    7.2.3  加权反馈求和
    7.2.4  具有局部反馈的调制器
    7.2.5  带分布式反馈的积分器链
    7.2.6  级联ΣΔ调制器
    7.2.7  MASH的动态范围
  7.3  连续时间ΣΔ调制器
    7.3.1  采样保持电路的局限性
    7.3.2  连续时间调制器的实现
    7.3.3  根据等价的采样数据调制器设计连续时间调制器
  7.4  带通ΣΔ调制器
    7.4.1  N路径时间交织的结构
    7.4.2  NTF的合成
  7.5  过采样DAC
    7.5.1  1位DAC
    7.5.2  双归零DAC
  参考文献
第8章 数字增强技术
  8.1  简介
  8.2  误差测量
  8.3  元件的修正(Trimming)
  8.4  前台校准
  8.5  后台校准
    8.5.1  时间交织转换器中的增益和失调
    8.5.2  无冗余硬件的失调校准
  8.6 动态匹配
    8.6.1  蝶形随机化(Butterfly Randomization)
    8.6.2  各体层面的平均
    8.6.3  数据加权平均
  8.7  抽取与插值
    8.7.1  抽取
    8.7.2  内插
  参考文献
第9章 D/A和A/D转换器测试
  9.1  概述
  9.2  测试板
  9.3  质量和可靠性测试
  9.4  数据处理
    9.4.1  最佳拟合曲线(Best-fit-line)
    9.4.2  正弦波拟合
    9.4.3  直方图法
  9.5  DAC静态测试
    9.5.1  转换曲线测试
    9.5.2  误差叠加(Superposition of Errors)
    9.5.3  非线性误差
  9.6  DAC动态测试
    9.6.1  频谱特性
    9.6.2  转换时间
    9.6.3  毛刺能量
  9.7  ADC静态测试
    9.7.1  数字码边沿测量
  9.8  ADC动态测试
    9.8.1  时间域参数
    9.8.2  提高正弦波的频谱纯度
    9.8.3  孔径不确定性测量
    9.8.4  稳定时间(settling-time)测量
    9.8.5  FFT测试的使用
  参考文献
索引

　　本书的目的是为了帮助学生、工程师和科学家设计和使用数据转换器，这些数据转换器可以是单独的芯片，也可以是用在数模混合集成电路(IC)中的一部分。若用于教学，本书每章都包含许多习题，作为实际应用课文内容的例子。此外，该书还收录许多例子和插图，概述了研究主题的关键方面。
　　本书的内容大量是来自给大学讲授的数据转换器课程，这些大学包括位于学院站的得克萨斯A&M大学、位于得克萨斯和达拉斯的大学以及近期在意大利Pavia大学的课程。选修该课程的学生需要模拟电路设计和版图的知识，并熟悉晶体管的工作原理。
　　该书包含九章。第1章涉及正确理解和设计数据转换器的基础知识，通过讲授数据转换器的理论含意，使读者意识到研究数据转换器所使用的近似方法的限制。此外，本章还回顾了用于分析和表征采样数据系统的数学工具。
　　第2章帮助读者正确理解数据转换器的规格参数。本章相应地(suitably)介绍了数据转换器的一般信息、特点以及静态和动态工作极限，这些能帮助读者对已有的器件进行评价和比较，确定新器件的规格参数。本章还对厂商提供的规格中使用到的技术术语进行了明确定义。
　　第3章在考虑电压和电流基准源基本要求之前研究了奈奎斯特率数模转换器的架构，接着讨论了基于电阻和基于电容的数模转换器架构，最后，本章对电流舵数模转换器架构进行了研究，该架构采用单位电流源阵列或者二进制权重电流源阵列，对电流进行切换得到数模转换功能，并在最后简要提及了其他特殊的架构。
　　第4章涉及奈奎斯特率模数转换器的架构、特点和限制。开始介绍的是全并行架构的ADC，只需要一个时钟周期就可以完成转换，接着是两步转换方案，需要至少两个时钟周期才能完成转换。然后讨论了折叠插值的方法，在研究流水线结构之前，本章还分析讨论了时间交错和逐次逼近算法。最后考虑用于特殊要求的一些技术。
　　本书假定读者是熟悉基本模拟电路的特点和设计技术，但还是有些特殊功能的电路没有在模拟电路课程中详细介绍。为此，第5章集中研究数据转换器相关的电路，从采样保持(S&H)电路开始，或是双极工艺或者是CMOS工艺实现的。之后是时钟增强技术，可以在非常低的电源电压下增强(或者是使之成为可能)MOS晶体管的开关导通。然后分析了折叠系统中用于电流和电压输入的电路技术。因为许多结构中用到了V/I转换器，本章回顾了一般的V/I转换的原理。最后介绍了用于控制数据转换器的交叠和不交叠相位时钟的产生方法。
　　由于不需要精确的工艺就可以达到高的分辨率，过采样转换器在现代混合模数系统中越来越重要了。过采样技术在本书中分两章讨论，第6章从简单的过采样方法开始研究过采样的基本理论。然后讨论通过速度和分辨率的适当折中，从噪声整形和过采样中可以获得的益处。该章回顾了基本原理，出于学习目的，通过研究一阶和二阶ΣΔ调制器的结构给出了调制器的基本原理，这些基本原理在随后的第7章用于更高阶的调制器。除了单级结构外，第7章研究了通常称为MASH（多级噪声整形）的级联调制器的方案。然后，在讨论带通ΣΔ调制器的实现之前，对前面研究过的采样数据ΣΔ调制器的连续时间版本进行了讨论，最后简要讨论了ΣΔDAC。
　　第8章涉及提高数据转换器性能的数字技术。当需要的精度和元件匹配要求比工艺能够提供的精度和匹配更高时，就需要使用数字技术校准或者修正转换器的结构。因此，各种增强转换器预期性能的方法大大帮助了数据转换器设计者。该章研究了误差测量方法，这样使得误差可以在模拟域或者数字域得到校正或者校准。这些方法或者是在线的（转换器可以不间断工作），或者是离线的，有一段时间用于误差测量和校准。该章还研究了通过元件的动态平均技术提高频谱性能的校正技术。
　　第9章讨论数据转换器的测试和性能描述所使用的方法。本章从测试DNL和INL的静态方法开始，之后讨论动态性能的测试，也就是稳定时间(settlingtime)、毛刺和谐波失真(distortion)。该章还讨论了静态ADC的测试。本章研究不同类型输入的柱状图方法、谐波失真和互调的测试技术。还讨论了在提取器件性能规格参数中如何使用正弦波和FFT。
　　本书的一个特点是在提供的许多例子中广泛使用了行为模型。相信，通过对结果的数字验证或者，对于数字转换器而言，使用适当精确的模型定量验证其行为和性能，会大大加快学习过程。对电路设计者而言，进行Spice仿真是非常重要的，但对于数据转换器，使用更高级的模型是有价值的。本书采用Matlab和Simulink（MathWork公司）作为行为仿真的基础。所有例子文件均可在网站上下载。我感谢许多完成行为仿真工作和仔细阅读手稿的学生，他们中有爱德华多博尼佐尼（EdoardoBonizzoni）, 马西米利亚诺 贝罗尼（Massimiliano Belloni）, 克里斯蒂娜德拉菲奥雷（CristinaDella Fiore）, 伊万诺加尔迪（Ivano Galdi），我特别感谢尼尔邓肯（NiallDuncan）的出色工作，他审阅了整本书的技术内容，改进了书写风格。

　　本书的材料深受我与皮耶罗马尔 科瓦蒂（Piero Malcovati）交往的影响，我感谢他对本书的贡献。

　　意大利帕维亚，2007
　　佛朗哥·马洛贝蒂（Franco Maloberti）