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隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及計算機在自動檢測和自動控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號的情況變得更加普遍。數(shù)字電子計算機所處理和傳送的都是不連續(xù)的數(shù)字信號，而實際中遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號的模擬量后，需經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號才可輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因而作為把模擬電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的接口電路-A/D轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)實世界中模擬信號向數(shù)字信號的橋梁，是電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶所在。 當(dāng)前，為了適應(yīng)計算機、通訊和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展以及高新技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)程不斷加快，ADC在工藝、結(jié)構(gòu)、性能上都有了很大的變化，正在朝著低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展。 1 ADC的主要類型 目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發(fā)展起來的∑-Δ型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的發(fā)展方向，同時ADC的這一發(fā)展方向?qū)⑦m應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展。 任何ADC都包括三個基本功能：抽樣、量化和編碼。抽樣過程將模擬信號在時間上離散化，使之成為抽樣信號；量化將抽樣信號的幅度離散化使之成為數(shù)字信號；編碼則將數(shù)字信號最彈簧表示成數(shù)字系統(tǒng)所能接受的形式。如何實現(xiàn)這三個功能就決定了ADC的形式和性能。同時，ADC的分辨率越高，需要的轉(zhuǎn)換時間就越長，轉(zhuǎn)換速度就越低，故ADC的分辨率和轉(zhuǎn)換速率兩者總是相互制約的。因而在發(fā)展高分辨率ADC的同時要兼顧高速，在發(fā)展高速ADC的同時要兼顧高分辨率，在此基礎(chǔ)上還要考慮功耗、體積、便捷性、多功能、與計算機及通訊網(wǎng)絡(luò)的兼容性以及應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求等問題，這樣也使得ADC的結(jié)構(gòu)和分類錯綜復(fù)雜。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型。 1.1 并行比較ADC 并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉(zhuǎn)換時間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設(shè)計以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的數(shù)量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數(shù)字增加一位，精密電阻數(shù)量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。例如，n位的ADC需要2n個精密電阻和2(n-1)個并聯(lián)比較器。分壓電阻網(wǎng)絡(luò)彼此相差1個最低有效位VR/2n,如圖1所示。 閃爍式ADC的分辨率受管芯尺寸、過大的輸入電容、大量比較器所產(chǎn)生的功率消耗等限制。結(jié)果重復(fù)的并聯(lián)比較器如果精度不匹配，還會造成靜態(tài)誤差，如會使輸入失調(diào)電壓增大。同，這一類型的ADC由于比較器的亞穩(wěn)壓、編碼氣泡，還會產(chǎn)生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。這類ADC的優(yōu)點是模/數(shù)轉(zhuǎn)換速度最高，缺點是分辨率不高，功耗大，成本高。 現(xiàn)代發(fā)展的高速 ADC電路結(jié)構(gòu)主要采用這種全并行的ADC，但由于功率和體積的限制，要制造高分辨率閃爍式ADC是不現(xiàn)實的。由兩個較低分辨率的閃爍式ADC構(gòu)成較高分辨率的半閃爍式ADC或分級型ADC是當(dāng)今世界制造高速ADC的主要方式。圖2所示是一個8位的兩級并行半閃爍式ADC的原理框圖。其轉(zhuǎn)換過程分為兩步：第一步是粗化量化。先用并行方式進(jìn)行高4位的轉(zhuǎn)換，作為轉(zhuǎn)換后的高4位輸出，同時再把數(shù)字輸出進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成模擬電壓。第二步是進(jìn)一步細(xì)化量化。把原輸入電壓與D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓相減，其差值再進(jìn)行低4全的A/D轉(zhuǎn)換。然后將上述兩級A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出并聯(lián)后作為總的輸出。這樣，在轉(zhuǎn)換速度上作出了一點犧牲，但解決了分辨率提高和元件數(shù)目刷增的矛盾。現(xiàn)代高速ADC與普通ADC相比的主要特點是：單電源性能；將基準(zhǔn)電源、采樣保持器和增益放大器集成在一塊芯片上，集成度高；采用標(biāo)準(zhǔn)的0.6μm的CMOS工藝開發(fā)各種價格的低功耗ADC。 1.2 逐次逼近型 逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、比較寄存器SAR、時鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號與已知電壓不斷進(jìn)行比較，然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。其原理圖如圖3所示，首先將DAC的最高有效位MSB保存到SAR，接著將該值對應(yīng)的電壓與輸入電壓進(jìn)行比較。比較器輸出被反饋到DAC，并在一次比較前對其進(jìn)行修正。在邏輯控制電路和時鐘驅(qū)動下，SAR不斷進(jìn)行比較和移位操作，直到完成LSB的轉(zhuǎn)換，此時所產(chǎn)生的 DAC輸出逼近輸入電壓的±1/2LSB。當(dāng)每一位都確定后，轉(zhuǎn)換結(jié)果被鎖存到SAR并作為ADC輸出。這一類型ADC的優(yōu)點：高速，采樣速率可達(dá) 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)停辉诜直媛实陀?2位時，價格較低。缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產(chǎn)生的信號在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。 1.3 積分型ADC 積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。其原理圖如圖4所示。其工作分為兩個階段，第一階段為采樣期；第二階段為比較期。通過兩次積分和計數(shù)器的計數(shù)可以得到模擬信號的數(shù)字值D=2nV1/VR，其中n為計數(shù)器的位數(shù)，V1為輸入電壓在固定時間間隔內(nèi)的平均值。 積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的D表達(dá)式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高，可達(dá)22位；功耗低、成本低。缺點是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時為100～300SPS。 1.4 壓頻變換型ADC 前面所講到的并行比較ADC和逐次逼近型ADC均屬于直接轉(zhuǎn)換ADC，而積分型和下面所講到的壓頻變換型ADC則屬于間接ADC。壓頻變換型ADC是先將輸入模擬信號的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時間間隔內(nèi)對此脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即為正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，只要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度即可。其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時為100～300SPS。 1.5 ∑-Δ型ADC 與一般的ADC不同，∑-Δ型ADC不是直接根據(jù)抽樣第一個樣值的大小進(jìn)行量化編碼，而根據(jù)前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小來進(jìn)行量化編碼。從某種意義講，它是根據(jù)信號波形的包絡(luò)線進(jìn)行量化編碼的。∑-Δ型ADC由兩部分組成，第一部分為模擬∑-Δ調(diào)制器，第二部分為數(shù)字抽取濾波器，如圖5所示。∑-Δ調(diào)制器以極高的抽樣頻率對輸入模擬信號進(jìn)行抽樣，并對兩個抽樣之間的差值進(jìn)行低位量化，從而得到用低位數(shù)碼表示的數(shù)字信號即∑-Δ碼；然后將這種∑-Δ碼送給第二部分的數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行抽取濾波，從而得到高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當(dāng)于一個碼型變換器。由于∑--△具有極高的抽樣速率，通常比奈奎斯特抽樣頻率高出許多倍，因此∑--△轉(zhuǎn)換器又稱為過抽樣A/D轉(zhuǎn)換器。這種類型的ADC采用了極低位的量化器，從而避免了制造高位轉(zhuǎn)換器和高精度電阻網(wǎng)絡(luò)的困難；另一方面，因為它采用了∑--△調(diào)制技術(shù)和數(shù)字抽取濾波，可以獲得極高的分辨率；同時由于采用了低位量化輸出的采用高分辨率的碼，不會對抽樣值幅度變化敏感，而且由于碼位低，抽樣與量化編碼可以同時完成，幾乎不花時間，因此不需要采樣保持電路，這就使得采樣系統(tǒng)的構(gòu)成大為簡化。這種增量調(diào)制型ADC實際上是以高速抽樣率來換取高位量化，即以速度來換精度。近年來，采用高分辨率的∑--△型ADC頗為流行，它的一個突出優(yōu)點是在一片混合信號CMOS大規(guī)模集成電路上實現(xiàn)了ADC與數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合。這一技術(shù)的其它優(yōu)點：分辨率高達(dá)24位；比積分型及壓頻變換型ADC的轉(zhuǎn)換速率高；采用混合信號CMOS工藝，可實現(xiàn)低價格、高分辨率的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理；由于采用高倍頻過采樣技術(shù)，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波的要求，實際上取消了信號調(diào)理。缺點：當(dāng)高速轉(zhuǎn)換時，需要高階調(diào)制器；在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。 目前，∑--△型ADC分為四類： （1）高速類ADC； （2）調(diào)制解調(diào)器類ADC； （3）編碼器類ADC； （4）傳感器低頻測量ADC。 其中每一類∑--△型ADC又分為許多型號，給用戶帶來極大方便。流水線型（Pipeline）ADC又稱為子區(qū)式ADC，它由若干級級聯(lián)電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精確的n位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率粗A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進(jìn)行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的模/擬電平并送至求和電路，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。并將差值精確放大某一固定增益后關(guān)交下一級電路處理。經(jīng)過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的K位細(xì) A/D轉(zhuǎn)換器對殘余信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級粗、細(xì)A/D的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的n位輸出。圖3所示為一個14位5級流水線型ADC的原理圖，圖7 所示為每級內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。流水線型ADC必須滿足以下不等式以便糾正重疊錯誤：式中，1為級數(shù)，m為各級中ADC的粗分辨率，k為精細(xì)ADC的細(xì)分辨率，而 n是流水線ADC的總分辨率。流水線ADC不但簡化了電路設(shè)計，還具有如下優(yōu)點：每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線性和低失調(diào)；每一級具有獨立的采樣/保持放大器，前一級電路的采樣/保持可以釋放出來用于處理下一次采樣，因此允許流水線各級同時對多個采樣進(jìn)行處理，從而提高了信號的處理速度，典型的為 Tconv<100ns；功率消耗低；很水有比較器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從根本上消除了火花碼和氣泡，從而大大減少了ADC的誤差；多級轉(zhuǎn)換提高了ADC的分辨率。同時流水線型ADC也有一些缺點：復(fù)雜的基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)；輸入信號必須穿過數(shù)級電路造成流水延遲；、同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時；對工藝缺陷敏感，對印刷線路板更為敏感，它們會影響增益的線性、失調(diào)及其它參數(shù)。目前，這種新型的ADC結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統(tǒng)，對噪聲、帶寬和瞬態(tài)相應(yīng)速度等時域特性要求較高的CCD成像系統(tǒng)，對時域和頻域參數(shù)都要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，AD也有了長足的進(jìn)步和發(fā)ADC正朝著低功耗高速、高分辨率的方向發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，還要考慮功耗、體積、便捷多功能、與計算機及通信網(wǎng)絡(luò)的兼容性。ADC主要的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，廣泛應(yīng)用于多媒體、通訊、自動化、儀器儀表等領(lǐng)域。對不同領(lǐng)域的不同要求，例如接口、電源、通道、內(nèi)部配置的要求，每一類ADC都有相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法。同時，用戶不僅要考慮到ADC本身的工藝和電路結(jié)構(gòu)，而且還應(yīng)考慮到ADC的外圍電路，如相應(yīng)的信號調(diào)理電路等模擬電路的設(shè)計。如在單電源、低功耗條件下設(shè)計新型的ADC時，為了解決單電源的輸入和輸出的動態(tài)范圍問題，可以采用超高速補償雙極性（XFCB）工藝制造的電流反饋運算放大器；為了解決推薦電壓、低電流條件下的低噪聲低溫漂基準(zhǔn)電壓問題，可以采用外加離子注入場效應(yīng)管（XFET）基準(zhǔn)源的方法；為了滿足低功耗的要求，可以采用節(jié)能工作方式（Power Down）；為設(shè)計出微型ADC，可采用減小體積的2線或2線制兼容的串行接口；為了減小信號源到整個AD轉(zhuǎn)換器的模擬信號通路的誤差，可以采用自校準(zhǔn)技術(shù)糾正誤差等等。針對實際應(yīng)用中具體要求，各種新型的設(shè)計方案應(yīng)運而生。這些技術(shù)不斷完善和改進(jìn)現(xiàn)有ADC的速度和精度，同時也成為現(xiàn)代ADC新補充的特點和發(fā)展方向。 傳統(tǒng)方式的ADC，例如逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。在全并行基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分級型和流水線型ADC主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。此外，采用脈動型和折疊型等結(jié)構(gòu)的高速ADC，可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解等方面。這些高速ADC，今后的展方向是在現(xiàn)有高速基礎(chǔ)上盡可能提高其分辨率，以滿足兼顧高速、高精度的發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代以來獲得很大發(fā)展的∑-Δ型ADC利用高抽樣率和數(shù)字信號處理技術(shù)，將抽樣、量化、數(shù)字信號處理融為了一體，從而獲得了高精度的ADC，目前可達(dá)24位，主應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領(lǐng)域。 自電子管A/D轉(zhuǎn)換器面世以來，經(jīng)歷了分立半導(dǎo)體、集成電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷程。在集成技術(shù)中，又發(fā)展了模塊、混合和單片機集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)。在這一歷程中，工藝制作技術(shù)都得到了很大改進(jìn)。單片集成電路的工藝技術(shù)主要有雙極工藝、CMOS工藝以及雙極和CMOS相結(jié)合的BiCMOS工藝。模塊、混合和單片集成轉(zhuǎn)換器齊頭發(fā)展，互相發(fā)揮優(yōu)勢，互相彌補不足，開發(fā)了適用不同應(yīng)用要求的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。近年來轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品已達(dá)數(shù)千種。 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的主要發(fā)展趨勢是，單片集成以硅為主導(dǎo)發(fā)展技術(shù)，并加速以硅為基礎(chǔ)的異質(zhì)結(jié)技術(shù)的發(fā)展；混合和模塊集成A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是軍事/航天系統(tǒng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，將與硅芯片技術(shù)并行發(fā)展，而且需建立在先進(jìn)的芯片技術(shù)基礎(chǔ)之上；低電源、低功耗、高速、高精度A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是主導(dǎo)發(fā)展產(chǎn)品，其中16位100～200MHz及8～10位10GHz的高性能 A/D轉(zhuǎn)換器是新一代先進(jìn)雷達(dá)、電子占和通訊電子系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，它們是重點發(fā)展目標(biāo)；目前已有工藝技術(shù)能滿足目標(biāo)產(chǎn)品的制作，如III/V化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)技術(shù)℃，其日體管的ft已大于50GHz；工藝技術(shù)中，雙極（特別是異質(zhì)結(jié)雙極）、CMOS、BiCMOS將并行發(fā)展，加工尺寸已發(fā)展到半亞微米亞料微米，將繼續(xù)向深度發(fā)展。近年來，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的市場呈穩(wěn)步增長的發(fā)展趨勢，它們在現(xiàn)代軍用和民用電子系統(tǒng)中均顯示出其重要地。2000年的市場銷售額已達(dá)20.3億美元。 不論是傳統(tǒng)型ADC還是表發(fā)展起來的ADC都有各自的優(yōu)缺點和適應(yīng)場合。在選用ADC時，不僅要考慮應(yīng)用的精度、速度等主要指標(biāo)，還要考慮輸入信號的形式（單端或差動輸入）、輸入信號范圍、輸入通道類型和數(shù)量、工作電源、內(nèi)部基準(zhǔn)、激勵源等多種具體功能上的差異，這些在選型上都是認(rèn)真考慮的。現(xiàn)代ADC制造商為用戶應(yīng)用考慮的越來越多，用戶在方案設(shè)計時一定要在器件選型上下一些功夫，針對實際應(yīng)用的具體要求盡量做到選型合理，這樣往往可以簡化設(shè)計、降低成本、提高性價比。 |
