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标  题: 模数转换器的特点与发展趋势
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标  题: 模数转换器的特点与发展趋势
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模数转换器的特点与发展趋势
■中国科学院长春物理研究所 高光天
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一、 概述
随着计算机、通信和多媒体技术的飞速发展，全球高新技术领域数字化进程的不断推进
，模数转换器（ADC）有了长足进步，出现了许多采用新工艺、新结构的高性能的ADC。
纵观ADC的发展历程，面临新世纪的ADC正朝着低功耗、高速和高分辨率的方向发展。
---- ADC的分辨率越高（位数越多），需要转换的时间就越长，转换速率就越低。因此
ADC的分辨率和转换速率两者总是相互制约的。为满足现代高新技术领域的需求，在发展
高速ADC的同时兼顾高分辨率，在发展高分辨ADC的同时兼顾高速。在此基础上，还要考
虑功耗、体积、便捷、多功能、与计算机及通信网络的兼容性、主要应用领域（如多媒
体、通信、自动化、仪器仪表）的特殊要求（如接口、电源、通道、内部配置）等问题
，这样就使ADC的结构和分类错综复杂。
---- 在单电源、低功耗条件下发展ADC，不仅涉及到ADC本身的电路结构和工艺问题，还
涉及到ADC的外用电路和相关的信号调理电路等模拟集成电路问题。例如，为了解决单电
源运放的输入和输出动态范围问题，出现了电源限（rail-to-rail amplifier）输入和
输出运放；为了解决高速视频ADC的驱动问题，出现了突破传统运放增益带宽积恒定限制
的、采用超高速补偿双极型（XFCB）工艺制造的电流反馈运放（CFA），；为了解决低电
压、低电流条件下的低噪声低温漂基准电压源的问题，出现了外加离子注入场效应管（
XFET）基准源；为了降低功耗、节省能源，采用节能工作方式（power down或power sl
eep）；为了缩小体积，采用2线或3线制兼容的串行口。这些技术问题的不断完善和改进
不但促进高速和高分辨率ADC的发展，同时也是现代ADC特点的补充。
二、 主要类型与特点
---- 模数转换器（ADC）是现实世界中各种模拟信号通向数字化世界的桥梁，作为将模
拟电信号转换成数字信号的ADC集成电路主要有以下几种类型：
---- 2.1逐次逼近型ADC
---- 逐次逼近型ADC是一种应用非常广泛的模数转换方法。它首先对采样的输入信号与
已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。
---- 优点：（1） 高速，转换速率高达一百万次每秒（MSPS）。
---- （2） 与其它结构ADC相比，功耗相当低。
---- （3） 在要求分辨率很低（<12位）情况下，价格较低。
---- 缺点：（1） 在要求高分辨率（>14位）情况下，价格较高。
---- （2） 从传感器产生的输出信号在进行模数转换之前通常要对模拟信号进行调理，
一般包括增益级和滤波，这样会明显提高成本。
---- 2.2全并行ADC
---- 全并行ADC又叫闪烁型（flash）ADC，它是将采样信号一步转换成二进制数。如果
将采样信号分两步转换成二进制数，则称作半闪烁型（halfflash）ADC。分成两步或三
步完成的ADC又称作分级型（multistep或subrange）ADC，如果从转换时序角度出发，又
叫流水线（pipelined）ADC。闪烁型ADC转换速率最高，通常用于低分辨率（8～10位）
，高速20～50MSPS应用场合，一般用于视频和通信领域。半闪烁型分辨率比闪烁型要高
，但转换速率要低。
---- 优点：它是最高速模数转换
---- 缺点：（1） 分辨率不太高；（2）功耗大；（3）成本相当高
---- 2.3积分型ADC
---- 积分型ADC用于低速、精密测量，例如数字电压表和包含低速传感器的许多应用。
这种ADC的分辨率可高达22位，而且完全能够抑制高频本底噪声（如交流干线干扰）。虽
然这种ADC取决于使用的电容器，但是其分辨率不受电容的绝对值影响。
---- 优点：（1）高精度；（2）功耗较低；（3）成本较低。
---- 缺点： 转换速率受限制，转换精度随转换速率的增加而降低。100～300SPS对应转
换精度为12位。
---- 2.4压频变换型ADC
---- 压频变换（VFC）型ADC是通过间接转换方式实现模数转换的。它首先将输入的模拟
信号转换成频率，然后再使用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲，这种ADC的分辨
率几乎可以无限增加，只要采样时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽
度。
---- 优点：（1）高精度；（2）相当低的功耗；（3）相当低的价格，但还需要附加的
计数电路实现频率数字转换。
---- 缺点：（1） 类似积分型ADC，它的转换速率受限制，转换器的精度随转换速率增
加而降低。100～300SPS的转换速率对应的转换精度一般为12位。
---- （2） 需要外部计数电路（MCU或其它器件）完成模数转换。
---- 2.5Σ-Δ ADC
---- 最近几年用于高分辨模数转换的Σ-Δ ADC颇为流行。它的一个突出优点是在一片
混合信号大规模集成电路上实现了ADC与数字信号处理（DSP）技术的结合，Σ-Δ ADC实
际上是以最低的分辨率（1位）和相当高的采样速率实现模拟信号的数字化。
---- 优点：（1）分辨率高达24位；（2）比积分型及压频变换型ADC的转换速率高；（
3）采用混合信号CMOS制造工艺在一块芯片上很容易实现低价格、高分辨率数据采集和数
字信号处理；（4）由于采用高倍率过采样技术，降低了对传感器信号进行滤波的要求，
实际上取消了信号调理。
---- 缺点：（1）当高速转换时，需要高阶调制器；（2）在转换速率相同的条件下，与
逐次逼近型ADC和积分型ADC相比功耗比较高。在转换期间功耗典型值为2～3mA。
高速和高分辨率
---- 如前所述，尽管现代ADC种类繁多，但主要趋势还是高速和高分辨率。
---- 1. 高速ADC
---- 高速ADC（吞吐率大于1MSPS）与普通ADC相比的主要特点是：（1）单电源高性能（
以前±5V，+5V电源现在降到+3V），在数字通信系统中高速ADC还起到调制解调的作用。
（2）集成度高，将基准电压源、采样保持器和增益放大器等外围电路与ADC一起集成在
一块芯片上。（3）低价格、低功耗。这种趋势必然导致采用标准的0.6μm的CMOS制造工
艺开发各种高速ADC。目前最高性能的ADC需要采用超高速互补双极型（XFCB）工艺。
---- 基于高速ADC的特点，表征其特性的技术指标也发生了变化。一方面出现了一些新
的技术指标。例如无杂散信号动态范围（SFDR——Spurious free dynamic range）、噪
声功率比（NPR——noise power ratio）、双音互调失真（two tone SMD）等。另一方
面，在原来技术指标的基础作进一步扩展。比如原来的总谐波失真 ，现在扩展为 ，增
加一项 ；原来的信噪比S/N，现在扩展为S/（N+D），称作信噪失真比或信纳比（SINAD
——Signal-to-noise and distortion ratio），增加了一项失真因子D；高速ADC的有
效位数（ENOB）计算公式ENOB=[S/N-1.76Db-10lg(fs/2fa)]6.02，比普通ADC多一项10l
g(fs/2fa)因为普通ADCfs≈2fa 。
---- 现代高速ADC的电路结构主要采用全并行或闪烁型ADC。它采用大量的比较器和电阻
器。一个N位闪烁型ADC需要2N个电路器和2N-1个比较器，如图1所示。由于受功率和体积
的限制，制造高分辨 噬了感虯DC是不现实的，但是由两个或多个较低分辨率的闪烁型A
DC构成较高分辨率的半闪烁型（见图2）或分级型ADC是当今世界流行的高速ADC。半闪烁
型ADC转换过程分为两步：首先，第一级ADC对采样保持信号完成高4位转换，并且将其4
位二进制输出送给4位DAC。然后，从SHA保持的模拟输入信号减去DAC的输出得到的剩余
信号，经过放大器加到第二级ADC，得到低4位ADC输出。最后将两级ADC的输出合并成8位
二进制输出。同理，由两个8位闪烁型ADC可以组成16位半闪烁型ADC。16位分级型ADC目
前最高可达到50MSPS。美国ADI公司的典型产品有：AD9432（12位，100MSPS），AD9410
（10位，200MSPS），AD9054（8位，200MSPS）。
---- 除此之外，还有脉动型ADC和折叠型ADC等其它结构的高速ADC。例如ADI公司的AD9
059（双8位ADC，60MSPS），适于直接广播卫星中的基带解调。
---- 2. 高分辨率ADC
---- 高分辨率ADC（≥16位），以前一直是积分型ADC占据主要市场。随着超大规模集成
电路制造水平的提高，近年来Σ-Δ ADC正以其分辨率高、线性度好和成本低等优势在低
速、高分辨率应用领域异军突起。Σ-Δ ADC的基本结构如图3所示。它的基本设计思路
是根据公式SNR=6.02N+1.76dB+10lg[fs/2fa]，通过采用过采样技术连同噪声整型和数字
滤波方法提高有效分辨率。
---- Σ-Δ ADC的工作过程是：首先从输入信号减去DAC的输出（即差分信号，用Δ表示
），接着在规定时间内对差分信号进行积分（积分或求和一般用Σ表示，这就是Σ-Δ名
称的来源），然后与基准比较产生高速（1MHz）1位ADC输出（由“1”和“0”组成的位
流）。为了提高分辨率，再对这种位流进行数字滤波（实质上是一种过采样技术），以
牺牲速度为代价。Σ-Δ ADC根据应用要求，目前分为四类：（1）高速（2）调制解调器
（3）编码器（4）传感器低频测量ADC。其中每一类Σ-Δ ADC，又根据具体应用要求分
成许多型号，给用户带来极大的方便。比如AD771X系列，是用于信号调理、传感器输入
ADC，非常适合用于称重、热电偶、湿度检测器（RTD）、应变计、过程控制、智能变送
器和医疗仪器。但考虑输入信号形式（单端或差动输入）、输入信号范围、输入通道类
型和数量、工作电源、功耗、内部基准、激励源等情况，在具体功能上有些差异，在选
型时必须认真考虑。Burr-Brown公司的DAC1220,主要用于工业过程的闭环控制及高分辨
的测试测量系统。应当指出，现代ADC制造商为用户应用考虑得越来越周到，用户在方案
设计时一定要在器件选型上下一些功夫，尽量做到选型合理，就会简化设计问题，即便
捷又提高性价比。

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    感情是一个难以驯服的野马
    理智却是一个严厉的马夫

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