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引言
隨著電子產業數字化程度的不斷發展，逐漸形成了以數字系統為主體的格局。A/D轉換器作為模擬和數字電路的接口，正受到日益廣泛的關注。隨著數字技術的飛速發展，人們對A/D轉換器的要求也越來越高，新型的模擬/數字轉換技術不斷涌現。本文著重介紹了當前幾種常用的模擬/數字轉換技術；并通過對數字技術發展近況的分析，探討了模擬/數字轉換技術未來的發展趨勢。
A/D轉換器的發展歷史
計算機、數字通訊等數字系統是處理數字信號的電路系統。然而，在實際應用中，遇到的大都是連續變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉換為數字信號。A/D轉換器正是基于這種要求應運而生的。1970年代初，由于MOS工藝的精度還不夠高，所以模擬部分一般采用雙極工藝，而數字部分則采用MOS工藝，而且模擬部分和數字部分還不能做在同一個芯片上。因此，A/D轉換器只能采用多芯片方式實現，成本很高。1975年，一個采用NMOS工藝的10位逐次逼近型A/D轉換器成為最早出現的單片A/D轉換器。
1976年，出現了分辨率為11位的單片CMOS積分型A/D轉換器。此時的單片集成A/D轉換器中，數字
部分占主體，模擬部分只起次要作用；而且，此時的MOS工藝相對于雙極工藝還存在許多不足。1980年代，出現了采用BiCMOS工藝制作的單片集成A/D轉換器，但是工藝復雜，成本高。隨著CMOS工藝的不斷發展，采用CMOS工藝制作單片A/D轉換器已成為主流。這種A/D轉換器的成本低、功耗小。1990年代，便攜式電子產品的普遍應用要求A/D轉換器的功耗盡可能地低。當時的A/D轉換器功耗為mW級，而現在已經可以降到μW級。A/D轉換器的轉換精度和速度也在不斷提高，目前，A/D轉換器的轉換速度已達到數百MSPS，分辨率已經達到24位。
模擬/數字轉換技術的發展現狀
通常，A/D轉換器具有三個基本功能:采樣、量化和編碼。如何實現這三個功能，決定了A/D轉換器的電路結構和工作性能。A/D轉換器的類型很多，下面介紹幾種目前常用的模擬/數字轉換技術。
全并行模擬/數字轉換
全并行A/D轉換器的結構如圖1所示。它的工作原理非常簡單，模擬輸入信號同時與2N-1個參考電壓進行比較，只需一次轉換就可以同時產生n位數字輸出。它是迄今為止速度最快的A/D轉換器，最高采樣速率可以達到500MSPS。但是，它也存在很多不足。首先，硬件開銷大，其功耗和面積與分辨率呈指數關系;其次，結構重復的并行比較器之間必須要精密匹配，任何失配都會造成靜態誤差。而且，這種A/D轉換器還容易產生離散和不確定的輸出，即所謂的“閃爍碼”。所以，全并行A/D轉換器只適用于分辨率較低的情況。
圖1 N位全并行A/D轉換器結構框圖
減小全并行A/D轉換器的輸入電容和電阻網絡的級數是提高其性能的關鍵。為了達到這一目的，采用了各種新技術，如將全并行結構與插值技術相結合，可降低功耗和面積，從而可使全并行A/D轉換器進行更高精度的模擬/數字轉換。Lane C.設計了一個10位60MSPS轉換速率的全并行A/D轉換器，通過運用插值技術，將比較器的數目從1023個減小到512個，大大節省了功耗和面積。
兩步型模擬/數字轉換
兩步型A/D轉換器的結構如圖2所示。首先，由一個粗分全并行A/D轉換器對輸入進行高位轉換，產生N1位的高位數字輸出，并將此輸出通過數字/模擬轉換，恢復為模擬量;然后，將原輸入電壓與此模擬量相減，對剩余量進行放大，再送到一個更精細的全并行模擬/數字轉換器進行轉換，產生N2位的低位數字輸出；最后，將這兩個A/D轉換器的輸出并聯，作為總的數字輸出。
與全并行A/D轉換器相比，此種類型的A/D轉換器雖然轉換速度降低了，但是節省了功耗和面積，解決了全并行A/D轉換器中分辨率提高與元件數目劇增的矛盾。因此，兩步型A/D轉換器可用于10位以上的模擬/數字轉換，但是，它對剩余量放大器的要求很高，剩余量必須被放大到充滿第二個A/D轉換器的輸入模擬量范圍，否則，會產生非線性和失碼。另外，第一級A/D轉換器和D/A轉換器的建立時間及精度是限制兩步型A/D轉換器工作速度的一個重要因素，如果建立時間不充分，勢必導致轉換結果出現誤差，所以，大多數兩步型A/D轉換器都采用了數字校正技術來改善這一問題。Razavi,B.和Wooley,B.A.采用校正技術研制的兩步型A/D轉換器，其第一級比較器的建立時間只需10ns，失調電壓可達到5mV，轉換速度高達5MSPS，分辨率為12位。
圖2 兩步型A/D轉換器的結構框圖 插值折疊型模擬/數字轉換
折疊結構如圖3所示，其基本原理就是通過一個特殊的模擬預處理(圖3中的陰影部分)產生余差電壓，并隨后進行數字化，獲得最低有效位(LSB)，最高有效位(MSB)則通過與折疊電路并行工作的粗分全并行A/D轉換器得到，幾乎在對信號采樣的同時，對余差進行采樣。
圖3 折疊結構框圖
圖3中，折疊電路的傳輸函數是理想情況，實際電路很難實現。所以，一般的折疊結構都具有非線性，但其過零點處的非線性為0。若只考慮這些過零點，則Vin與Vrj之差的極性可以被正確確定，再采用插值的辦法產生額外的過零點來解決低位。這就是插值折疊的基本思想，它既利用了折疊特性，又不帶來額外的非線性。
各種新技術的運用，使插值折疊型A/D轉換器的性能不斷提高。這里介紹兩種新技術:電流式插值系統和級聯結構。用電阻實現的電壓式插值器，其精度受到電阻匹配度的限制，而在電流式插值器中，信號是由電流幅度表示的，其精度更高，而且更適合在低電源電壓下工作。Li，Y-C等人通過在細量化通路上采用電流模式信號處理技術來降低電壓擺幅，獲得了具有300MSPS轉換速度、60MHz輸入信號帶寬、7位分辨率的A/D轉換器。另一種改進方法就是采用級聯結構。在無需增加并行輸入級和細分A/D轉換器中比較器數目的條件下，級聯結構可將轉換
精度提高到8位以上。
Vorenkamp,P.等人設計的12位插值折疊型A/D轉換器采用三步式級聯結構，其中，3位粗分量化，3位中分量化，6位細分量化。該A/D轉換器只需50個比較器，轉換速度為60MSPS。
流水線型模擬/數字轉換
流水線型A/D轉換器是對兩步型A/D轉換器的進一步擴展，其結構如圖4所示。它將一個高分辨率的n位模擬/數字轉換分成多級的低分辨率的轉換，然后將各級的轉換結果組合起來，構成總的輸出。每一級電路由采樣/保持電路(S/H)、低分辨率A/D轉換器、D/A轉換器、減法器和可提供增益的級間放大器組成。
圖4 流水線型A/D轉換器結構框圖
這種類型的A/D轉換器具有以下優點:每一級的冗余位優化了重疊誤差的糾正，具有良好的線性和低失調；每一級都具有各自獨立的采樣保持放大器，因此允許流水線各級同時對多個采樣進行處理，從而提高了轉換速度;分辨率相同的情況下，電路規模及功耗大大降低。但它也存在一些缺點:復雜的基準電路和偏置結構；輸入信號必須穿過數級電路，造成流水延遲;同步所有輸出需要嚴格的鎖存定時；對工藝缺陷和印刷線路板較敏感，這會影響增益非線性、失調及其它參數。
目前，普遍采用兩種新技術來提高流水線A/D轉換器的性能。一種是時間交織技術，使多條流水線并行工作。通過采用這種技術，可大大提高轉換速率，但并行的通道數不能太多，否則，會大大增加芯片面積和功耗，而且各個通路之間需要高度匹配，在工藝上很難實現。Sumanen,L.等人設計了一個具有4個并行通道的流水線A/D轉換器，采用0.5μmCMOS工藝實現。該A/D轉換器的采樣率高達200MSPS，分辨率為10位。另一種新技術就是數字校準技術，其主要思想是將校準周期內測量到的誤差存放在存儲器中，然后在正常運算周期內，通過原始碼尋址，得到校對碼，再通過原始碼和校對碼的運算，得到最終的數字輸出。這種技術可對模擬電路的失調不匹配以及非線性引入的誤差等進行有效的校正，從而使流水線A/D轉換器的精度超過10位。Hakarainen,V.等人研制的交織型流水線A/D轉換器，運用這種校正技術來校正子D/A轉換器的誤差，并對各并行通道之間增益和失調電壓的失配進行補償，從而在10位的器件匹配精度下獲得了14位的轉換精度。
逐次逼近型模擬/數字轉換
逐次逼近型A/D轉換器的結構如圖5所示，其工作原理如下:輸入信號的抽樣值與D/A轉換器的初始輸出值相減，余差被比較器量化，量化值再來指導控制邏輯是增加還是減少D/A轉換器的輸出;然后，這個新的D/A轉換器輸出值再次從輸入抽樣值中被減去，不斷重復這個過程，直至其精度達到要求為止。由此可見，這種A/D轉換器在一個時鐘周期里只完成1位轉換，N位轉換就需要N個時鐘周期，故它的采樣率不高，輸入帶寬也較低;但電路結構簡單，面積和功耗小，而且不存在延遲問題。
逐次逼近型A/D轉換器的一個關鍵部分就是D/A轉換器，它制約著整個A/D轉換器的精度和速度。D/A轉換器傳統的制作方法是用精密電阻網絡實現，但是它的精度不高。以電容陣列為基礎，采用電荷重分布技術的D/A轉換器可以獲得更高的精度，這主要是由于在MOS電路中比較容易制造出小容量的精密電容，而且電容損耗極小。Gan,J-H等人采用非二進制的電容陣列結構實現D/A轉換器，并采用自校準技術提高電容的匹配度，使D/A轉換器的精度高達22位，制作出功耗為50mW的16位1.5MSPS高性能逐次逼近型A/D轉換器。
圖5 逐次逼近型A/D轉換器結構框圖
Σ-Δ模擬/數字轉換
Σ-Δ A/D轉換器的結構如圖6所示，它由Σ-Δ調制器和數字濾波器組成。調制器包括一個積分器和比較器，以及含有一個1位D/A轉換器的反饋環，具有噪聲整形功能，將量化噪聲從基帶內搬移到基帶外的更高頻段，從而提高了信噪比。而且，在進行Σ-Δ調制時，以遠高于Nyquist采樣率的頻率對模擬信號進行采樣，可減少基帶范圍內的噪聲功率，使轉換精度進一步提高。經調制器輸出的是1位的高速Σ2Δ數字流，包含大量高頻噪聲，因此需要數字濾波器，濾除高頻噪聲，降低抽樣頻率。
圖6 Σ2ΔA/D轉換器結構框圖
Σ-ΔA/D轉換器是目前精度最高的A/D轉換器。此外，它還具有極其優越的線性度、無需微調，以及更低的防混淆等優點。但是，過采樣技術要求采樣頻率遠高于輸入信號頻率，從而限制了輸入信號帶寬;而且，隨著過采樣率的提高，功耗會大大增加。因此，在保證一定精度的前提下，盡可能地降低過采樣率變得十分關鍵。目前普遍采用的方法主要有兩種:多級噪聲整形技術(MASH)，該技術采用多個級聯的、穩定的一階或二階回路;另一種是多位結構的Σ-Δ A/D轉換器，該結構含有一個n位并行A/D轉換器和一個n位D/A轉換器。為了獲得更好的效果，通常將這兩種方法結合使用。2001年，delRio,R.等人為ADSL應用設計的4階Σ-Δ調制器采用2-1-1三級結構，其中最后一級含有4位量化器。該A/D轉換器的過采樣率僅為16，分辨率12位，采樣率為4MSPS，功耗77mW。
另外，還有幾種新技術被應用到Σ-Δ A/D轉換器中，以提高其性能。帶通Σ-Δ A/D轉換器采用帶通濾波器替代積分器，量化噪聲被向上和向下移出有用頻帶，再由帶通數字濾波器將有用頻帶外的其他信號和量化噪聲濾除，從而直接對中頻信號進行高精度轉換。Schreier,R.等人采用0.35μm BiCMOS工藝制作的帶通Σ-Δ A/D轉換器，其帶寬為333kHz，動態范圍90dB，功耗為50mW，時鐘頻率高達32MHz。采用異質結工藝制作的連續時間Σ-Δ A/D轉換器，其帶寬比開關電容型Σ-Δ A/D轉換器大得多，從而使Σ-Δ A/D轉換器可用于射頻領域。一個采用InPHBT工藝實現的二階Σ-Δ調制器，其分辨率為12位，信號帶寬為50MHz，采樣率為3.2GHz。將多個Σ-Δ A/D轉換器并聯起來，對輸入進行模擬預處理，對輸出進行數字后處理，可獲得與提高過采樣比一樣的效果，實現奈氏采樣率的Σ-Δ A/D轉換器(過采樣比為1)，從而進一步提高輸入信號帶寬。奈氏采樣率Σ-Δ A/D轉換器，其并行通道數為8，輸入信號帶寬為160kHz。
A/D轉換器的比較與分類
表1對各種A/D轉換器的分辨率、轉換速度和功耗等性能進行了比較。根據A/D轉換器的速度和精度，大致可分為三類。
1)高速低(或中等)精度A/D轉換器，具體的結構有全并行、兩步型、插值折疊型和流水線型。此類A/D轉換器速度快，但是精度不高，而且消耗的功耗大，占用的芯片面積也很大，主要用于視頻處理、通信、高速數字測量儀器和雷達等領域。
2)中速中等精度A/D轉換器。這一類型的A/D轉換器是以速度來換取精度，如逐次逼近型A/D轉換器。這一類A/D轉換器的數據輸出通常是串行的，它們的轉換速度在幾十kHz到幾百kHz之間，精度也比高速A/D轉換器高(10～16位)，主要用于傳感器、自動控制、音頻處理等領域。
3)中速或低速高精度A/D轉換器。此類A/D轉換器速度不快，但精度很高(16～24位)，如Σ-ΔA/D轉換器。該類型A/D轉換器主要用于音頻、通信、地球物理測量、測試儀、自動控制等領域。
表1 各種A/D轉換器的性能比較
模擬/數字轉換技術的發展趨勢
當前，數字處理系統正在飛速發展，在視頻領域，高清晰度數字電視系統(HDTV)的出現，將廣播電視推向了一個更高的臺階，HDTV的分辨率與普通電視相比至少提高了一倍。在通信領域，過去無線通信系統的設計都是靜態的，只能在規定范圍內的特定頻段上使用專用調制器、編碼器和信道協議。而軟件無線電技術(SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術，大大地推動了無線通信系統的發展。在高精度測量領域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達μA量級，電壓到達mV甚至更低；在音頻領域，各種高性能專業音頻處理設備不斷涌現，如DVD-Audio和超級音頻CD(SACD)，它們能處理更高質量的音頻信號。
為了滿足數字系統的發展要求，A/D轉換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個方向發展:高轉換速度:現代數字系統的數據處理速度越來越快，要求獲取數據的速度也要不斷提高。比如，在軟件無線電系統中，A/D轉換器的位置是非常關鍵的，它要求A/D轉換器的最大輸入信號頻率在1GHz和5GHz之間，以目前的技術水平，還很難實現。因此，向超高速A/D轉換器方向發展的趨勢是清晰可見的。
高精度：現代數字系統的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，A/D轉換器的分辨率也必須隨之提高;在專業音頻處理系統中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的A/D轉換器。目前，最高精度可達24位的A/D轉換器也不能滿足要求。現在，人們正致力于研制更高精度的A/D轉換器。
低功耗：片上系統(SOC)已經成為集成電路發展的趨勢，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數字電路。為了完成復雜的系統功能，大系統中每個子模塊的功耗應盡可能地低，因此，低功耗A/D轉換器是必不可少的。在以往
的設計中，5MSPS8～12位分辨率A/D轉換器的典型功耗為100～150mW。這遠不能滿足片上系統的發展要求，所以，低功耗將是A/D轉換器一個必然的發展趨勢。
總之，各種技術和工藝的相互滲透，揚長避短，開發出適合各種應用場合，能滿足不同需求的A/D轉換器，將是模擬/數字轉換技術的未來發展趨勢;高速、高精度、低功耗A/D轉換器將是今后數據轉換器發展的重點。 |
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發表于 2010-7-15 14:43:51
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