ADC综述

ADC简介

ADC分类

模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的积分型、逐次逼近型、并行ADC，也有近年来新发展起来的流水线型、折叠型和Sigma-Delta型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。

积分型ADC采样原理

积分型模数转换器称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。典型的是双斜率转换器，我们就以其为例说明积分型模数转换器的工作原理，如图1所示

图1积分模数转换器的结构框图

双斜率转换器由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大的数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反板性(负)参考电压。在这个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。

积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰(如50Hz或60Hz)，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用很有用(如热电偶输出的量化)。因此积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。其优点是：分辨率高(可达22bits)，功耗低，成本低。缺点是：转换速率低，转换精度为12bits时，它的转换速度为100～300sps。

逐次逼近（SAR）型ADC采样原理

逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模／数转换方法，它按照二分搜索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。

逐次逼近型ADC由比较器、D／A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。其原理如图2所示，首先将DAC的最高有效位MSB保存到SAR，接着将该值对应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反馈到DAC，并在一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路和时钟驱动下，SAR不断进行比较和移位操作，直到完成LSB的转换，此时所产生的DAC输出逼近输入电压的士I／2LSB。当每一位都确定后，转换结果被锁存到SAR并作为ADC输出。

图2逐次逼近模数转换器的结构框图

逐次逼近型转换方式的特点是：转换速度较高，可以达到IMsps；在低于12bits分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低。但这种转换方式需要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络，故精度不会很高。

并行模数转换器

并行ADC是现今速度最快的模／数转换器，采样速率在1Gsps以上，通常称为“闪烁式”ADC。并行转换是一种直接的模数转换方式。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到。

并行ADC由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。如图3所示。

图3并行模数转换器的结构框图

并行ADC的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率消耗等限制。并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，比如会使输入失调电压增大。同时，这一类型的ADC由于存在比较器的亚稳态、编码气泡，还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。这类ADC的优点是模／数转换速度最高，缺点是分辨率不高，功耗大，成本高。

开关电容等效电阻：利用图4所示的电荷转移概念,可以十分清楚地了解开关电容充当电阻的基本概念。如果电容从V1切换至V2,则将发生瞬时电荷转移,ΔQ=C(V1-V2),电荷流入或流出V2。其中包含的假设条件是C没有串联电阻,而且V1和V2为理想电压源。如果该开关以某一时钟频率fs(周期为T)来回开合,则V1与V2之间将有一个平均电流i流过,i=ΔQ/T=CAV/T。提供同样大小平均电流的等效电阻“R”为:

“R”=ΔV/i=T/C=l/(Cfs)

图4 开关电容“电阻” 图5 单极点无源RC滤波器及其等效的开关电容滤波器

利用这种等效的开关电容电阻,可以实现许多传统的无源和有源滤波器配置。图5显示了一个单极点无源RC滤波器及其等效的开关电容滤波器。RC滤波器的-3dB频率为1/(2πR1C1)。对于开关电容滤波器,有 f3dB=fsC1/(2πC2)

请注意,对于开关电容滤波器,带宽取决于采样速率和电容值之比。为使时间采样和电荷共享的影响最小,必须做出一个重要假设,即fs>>f3dB(通常要求50到100倍)。因此,当使用开关电容滤波器概念时,临界频率由电容比和采样时钟频率决定,二者均可以非常精确且无漂移。

采用开关电容滤波器进行音频和语音滤波,可以大大减小无源器件的物理尺寸。构建音频滤波器时,若要使用合理大小的单芯片电容(约10pF),则要求电阻在10MΩ 数量级。以100kHz速率切换一个1pF电容可以轻松实现该电阻值,所需硅面积约为0.01mm2。如果使用多晶硅或扩散技术来实现10MΩ电阻,则所需面积至少要大100倍。

流水线模数转换器

流水线模数转换器是对并行转换器进行改进而设计出的一种转换方式。它在一定程度上既具有并行转换高速的特点，又克服了制造困难的问题。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸(意味着低价格)。经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。

这种结构的模数转换器采用多个低精度的并行模数转换器采样信号，并进行分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，构成一个高精度的量化输出。每一级由采样／保持电路(Tm)、低分辨率模数转换器和数模转换器以及求和电路构成，求和电路还包括可提供增益的级间放大器。以8位的两级流水线型为例，其结构如图6所示，它的转换过程首先是进行第一级高4位的并行转换，得到高4位信号；然后把输入的模拟信号与第一级转换后数字信号所表示的模拟量相减，得到的差值送入第二级并行转换器，得到低4位信号。除了两级的流水线型转换方式外，还有三级、四级甚至更多级的转换器。

图6 流水线模数转换器的结构框图

流水线ADC不仅简化了电路设计，还具有如下优点：精度较高，可达16bits左右；转换速度较快，16bits的流水线ADC速度可达5Msps；分辨率相同的情况下，电路规模及功耗大大降低。但流水线型转换方式是以牺牲速度来换取高精度的，另外还存在转换出错的可能。即第一级剩余信号的范围不满足第二级并行ADC量程的要求时，会产生线性失真或失码现象，需要额外的电路进行调整。

折叠式模数转换器

由流水线型转换方式可知，通过对输入信号的预处理，使转换器精度提高的同时，可大幅度降低元件的数目。流水线型处理的方式是分步转换，其高位和低位数据分步得到，使转换速度受到影响。折叠插值型转换方式克服了流水线型分步转换所带来的速度下降，它通过预处理电路，同时得到高位和低位数据，但使用的元件数目却大大减少。

折叠插值型转换方式信号预处理的方法是折叠。折叠就是把输入较大的信号映射到某一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数据为整个数字量的低位数据。然后再找出输入信号被映射的区间，该区间也以数字量表示，这个数据为整个数字量的高位数据。高位和低位数据经过处理，得到最后的数字信号。图7就是一个8bits的折叠型转换方式的信号处理示意图。它将输入信号折叠成8个区间，用3位数字表示这8个区间。然后再将折叠后的信号转换成5位数字量。实际的折叠电路是由多个差分对构成的，并不能形成如图7所示的三角形折叠波，一般在最大值及最小值处较圆滑，造成较大的非线性误差，这可通过采用多个折叠电路的办法进行改进。如果数字量低位部分有5位，采用32个折叠电路，通过调节各个折叠电路的基准电压，使每个折叠区间产生32个过零点，然后把这32路折叠后的信号送入比较器，再经过编码，产生低位数据。但是32路折叠电路的电路规模较大，体现不出它的优势，所以通过插值的方法来产生相同的效果。仍以低位为5位量化为例，只采用4个折叠电路，那么每个折叠区间会有4个折叠波。再利用8个电阻分压产生的基准电压，调节这4个折叠电路，就可以得到另外的7组折叠波，同样可以产生32路折叠波。

图7信号的折叠示意图

图8就是折叠插值转换方式的原理图。折叠插值转换方式的特点是：数据的两次量化是同时进行的，具有全并行转换的特点，速度较快；电路规模及功耗不大，如这里的8bits转换器只需40个比较器。折叠插值方式存在的问题是信号频率过高时，有所谓“气泡”现象产生，需要额外的处理电路；当位数超过8bits时，如要保持较少的比较器数耳，折叠插值变得十分麻烦，所以一般只用于8bits以下的转换器当中。

图8折叠式模数转换器的结构框图

Sigma-delta型ADC采样原理

过采样Sigma-Delta模数转换是近几十年发展起来的一种模数转换方式，目前在音频领域得到广泛的应用。与一般的ADC不同，Sigma-Delta ADC不是直接根据采样第一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。图9是Sigma-Delta调制器的结构框图。

图9 Sigma-Delta调制器的结构框图

Sigma-Delta ADC的采样频率比转换频率高出许多倍。这种类型的ADC采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，由于它采用了Sigma-Delta调制技术和数字抽取滤波，因此可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的Sigma-Delta码，不会对采样值幅度变化敏感，而且由于码位低，采样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型

ADC实际上是以高速采样频率来换取高位量化，即以速度来换精度。过采样Sigma-Delta模数转换的主要特点是：转换精度很高，可达24bits以上；由于采用了过采样、噪声整形和数字滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高精度(16bits以上)的目的；模拟电路仅占5％，大部分是数字电路，并且模拟电路对元件的匹配性要求不高，易于用CMOS技术实现。缺点：当高速转换时，需要高阶调制器；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。目前，Sigma-DeltaADC分为四类：(1)高速类ADC；(2)调制解调器类ADC；(3)编码器类ADC；(4)传感器低频测量ADC。其中每一类Sigma-Delta ADC又分为许多型号，给用户带来极大方便。