流水线ADC中的冗余的设计区别（半冗余以及整数冗余）

kobe_michael

各位，请教一下，传统的纯流水线结构中的冗余设计，查阅了一些文献，从1992年开始Lewis开始的1.5-bit（0.5冗余位）开始，基本的流水线设计都会配置冗余位，但是怎么配置却没有明确的定论，我查询文献，总结下来基本有三种方式。有些疑问，还请帮忙看一下，一起讨论进步。
主要的参考文献为：
Data Converters (by FRANCO MALOBERTI, Pavia University, Italy)；
High Speed Data Converters (Ahmed M.A. Ali, ADI fellow, high-speed group)；
以及其它的JSSC等paper。


下面均以4-bit的分辨率为例，可实现的方法有：
一、传统的比较阈值和数目（比较器数目15个，阈值点在输入信号范围内均匀分布），但是余量放大器的增益减半，实现放大器输出的半放大效果，其传递函数如下：
二、比较阈值和数目减小一个（比较器数目14个，阈值点在输入信号的中间部分均匀分布，两边存在多一半的分布步长），但是余量放大器的增益减半，放大器输出在输入信号接近满摆幅的时候为满摆幅输出，中间大部分区域是半摆幅输出，这个类似于1.5bit/stage，数字校准的时候只有错一位相加就可以实现重建，如下图（左）中的虚线所示（两边为虚线），同时附上经典的1.5bit/stage的传递函数曲线。
     
三、最后一种是ADI一直用的技术，即比较阈值和数目增加一个（比较器数目16个，阈值点在输入信号的中间部分均匀分布，两边只有中间一半的分布步长），称为folded-end，同样，余量放大器的增益减半，放大器输出在整个输入信号范围内都是半摆幅输出，如下图（左）的实线所示，同时附上ADI的带有编码的传递曲线（ADI的例子是对应3-bit的分辨率）。


问题在于：
1、对于这三种冗余算法的优劣势怎么考虑？
个人意见是：对于SNR要求较高的场合，传统的类似半bit冗余技术的输出摆幅更大（方法二），有利于SNR的提升，但是SFDR要求会更高，对于放大器的输出摆幅严格限制在FS/2（方法一和三）来说，线性度更好，但是SNR可能会恶化！
2、三种冗余算法数字重建的时候怎么做？都是错一位相加吗（假设每级的有效位数都是按照分辨率的下一个整数来算）？
3、每种冗余算法的温度计码到二进制码怎么映射？对于经典的1.5bit（方法二）以及方法一，这个编码不难，但是对于方法三的ADI的解决方案，因为比较器多加了一个，导致实际的二进制码需要多增加一位（因为现在有17个分段）来表征，但是首位的编码为什么最高位是1，其余所有段最高位是0，这个最高位的目的是？实际这一级的有效位数是（假设这一级的分辨率是4，实际的数字码出来5位，那么有效的分辨率是2还是3）？

spartan313

Ali这本书写的还可以啊 首先第一个问题是系统要求中 你的AD 面积、功耗有具体要求吗

拉扎维垫电脑

2和3不是一样的吗，2是从3.5bit改进的，3是从2.5bit改进的

mycelldevice

Make sense as above.

老尤皮

我没看明白你的方法2和方法3的区别。我觉得是一样的，至少从传输特性曲线上看不出来不一样
你要讨论SNR的问题的话，首先要指明是什么来源的噪声。这个问题我推荐看看EE315B里面的内容。我认为SNR和级间放大器的放大倍数关系更大，而不是摆幅。
如果放大器gain error不明显，也许直接错位相加就行。在一些高速的应用场合，放大器gain error非常明显，要额外加校准
每一级实际的有效位数，这个问题我也推荐看看EE315B里面的内容

kobe_michael

谢谢！

kobe_michael

1668106366 发表于 2021-9-28 17:13
2和3不是一样的吗，2是从3.5bit改进的，3是从2.5bit改进的

二和三的主要区别是，是否讲最后的两端折回去，导致最终的输出摆幅是满摆幅还是半摆幅。

kobe_michael

geo24 发表于 2021-9-28 17:01
Ali这本书写的还可以啊 首先第一个问题是系统要求中 你的AD 面积、功耗有具体要求吗 ...

现在不考虑这些，这是单纯的分析，几个传递函数的区别，实际上，几个方法在该级的分辨率一致的情况下应该差别不大，最多就是一个比较器的功耗，当然这不考虑后面的级间放大器的功耗。

superbrother

所以你搞懂为啥会演化出半冗余的原因了吗？

donaldtsl

早期1.5bit只能减小对比较器offset的要求，加dither就会超电压范围，ali的这种可以加dither。