AD转换技术地发展历程及其趋势

目录

1 引言 (3)

2 A/D转换器的发展历史 (3)

3 A/D转换技术的发展现状 (4)

3.1 全并行模拟/数字转换 (4)

3.2 两步型模拟/数字转换 (5)

3.3 插值折叠型模拟/数字转换 (5)

3.4 流水线型模拟/数字转换 (6)

3.5 逐次逼近型模拟/数字转换 (7)

3.6 Σ-Δ模拟/数字转换 (8)

4 A/D转换器的比较与分类 (9)

5 A/D转换技术的发展趋势 (10)

A/D转换电路的外特性研究以及A/D转换技术的

发展历程和趋势

1 引言

随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现。本文主要介绍了当前几种常用的A/D转换技术；并通过对数字技术发展近况的分析，探讨了A/D转换技术未来的发展趋势。

2 A/D转换器的发展历史

计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。1970年代初，由于MOS工艺的精度还不够高，所以模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用MOS工艺，而且模拟部分和数字部分还不能做在同一个芯片上。因此，A/D转换器只能采用多芯片方式实现，成本很高。1975年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器成为最早出现的单片A/D转换器。

1976年，出现了分辨率为11位的单片CMOS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中，数字部分占主体，模拟部分只起次要作用；而且，此时的MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980年代，出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转换器，但是工艺复杂，成本高。随着CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺制作单片A/D转换器已成为主流。这种A/D转换器的成本低、功耗小。1990年代，便携式电子产品的普遍应用要求A/D转换器的功耗尽可能地低。当时的A/D转换器功耗为mW级，而现在已经可以降到μW级。A/D转换器的转换精度和速度也在不断提高，目前，A/D转换器的转换速度已达到数百MSPS，分辨率已经达到24位。

3 A/D转换技术的发展现状

通常，A/D转换器具有三个基本功能：采样、量化和编码。如何实现这三个功能，决定了A/D转换器的电路结构和工作性能。A/D转换器的类型很多，下面介绍几种目前常用的模拟/数字转换技术。

3.1 全并行模拟/数字转换

全并行A/D转换器的结构如图1所示。它的工作原理非常简单，模拟输入信号同时与2N-1个参考电压进行比较，只需一次转换就可以同时产生n位数字输出。它是迄今为止速度最快的A/D转换器，最高采样速率可以达到500MSPS。但是，它也存在很多不足。首先，硬件开销大，其功耗和面积与分辨率呈指数关系；其次，结构重复的并行比较器之间必须要精密匹配，任何失配都会造成静态误差。而且，这种A/D转换器还容易产生离散和不确定的输出，即所谓的“闪烁码”。所以，全并行A/D转换器只适用于分辨率较低的情况。

图1 N位全并行A/D转换器结构框图

减小全并行A/D转换器的输入电容和电阻网络的级数是提高其性能的关键。为了达到这一目的，采用了各种新技术，如将全并行结构与插值技术相结合，可降低功耗和面积，从而可使全并行A/D转换器进行更高精度的模拟/数字转换。Lane C.设计了一个10位60MSPS 转换速率的全并行A/D转换器，通过运用插值技术，将比较器的数目从1023个减小到512个，大大节省了功耗和面积。

3.2 两步型模拟/数字转换

两步型A/D转换器的结构如图2所示。首先，由一个粗分全并行A/D转换器对输入进行

高位转换，产生N1位的高位数字输出，并将此输出通过数字/模拟转换，恢复为模拟量；然后，将原输入电压与此模拟量相减，对剩余量进行放大，再送到一个更精细的全并行模拟/数字转换器进行转换，产生N2位的低位数字输出；最后，将这两个A/D转换器的输出并联，作为总的数字输出。

与全并行A/D转换器相比，此种类型的A/D转换器虽然转换速度降低了，但是节省了功耗和面积，解决了全并行A/D转换器中分辨率提高与元件数目剧增的矛盾。因此，两步型A/D转换器可用于10位以上的模拟/数字转换，但是，它对剩余量放大器的要求很高，剩余量必须被放大到充满第二个A/D转换器的输入模拟量围，否则，会产生非线性和失码。另外，第一级A/D转换器和D/A转换器的建立时间及精度是限制两步型A/D转换器工作速度的一个重要因素，如果建立时间不充分，势必导致转换结果出现误差，所以，大多数两步型A/D转换器都采用了数字校正技术来改善这一问题。Razavi，B.和Wooley，B.A.采用校正技术研制的两步型A/D转换器，其第一级比较器的建立时间只需10ns，失调电压可达到5mV，转换速度高达5MSPS，分辨率为12位。

图2 两步型A/D转换器的结构框图

3.3 插值折叠型模拟/数字转换

折叠结构如图3所示，其基本原理就是通过一个特殊的模拟预处理(图3中的阴影部分)产生余差电压，并随后进行数字化，获得最低有效位(LSB)，最高有效位(MSB)则通过与折叠

电路并行工作的粗分全并行A/D转换器得到，几乎在对信号采样的同时，对余差进行采样。

图3 折叠结构框图

图3中，折叠电路的传输函数是理想情况，实际电路很难实现。所以，一般的折叠结构都具有非线性，但其过零点处的非线性为0。若只考虑这些过零点，则Vin与Vrj之差的极性可以被正确确定，再采用插值的办法产生额外的过零点来解决低位。这就是插值折叠的基本思想，它既利用了折叠特性，又不带来额外的非线性。

各种新技术的运用，使插值折叠型A/D转换器的性能不断提高。这里介绍两种新技术：电流式插值系统和级联结构。用电阻实现的电压式插值器，其精度受到电阻匹配度的限制，而在电流式插值器中，信号是由电流幅度表示的，其精度更高，而且更适合在低电源电压下工作。Li，Y-C等人通过在细量化通路上采用电流模式信号处理技术来降低电压摆幅，获得了具有300MSPS转换速度、60MHz输入信号带宽、7位分辨率的A/D转换器。另一种改进方法就是采用级联结构。在无需增加并行输入级和细分A/D转换器中比较器数目的条件下，级联结构可将转换精度提高到8位以上。Vorenkamp，P.等人设计的12位插值折叠型A/D 转换器采用三步式级联结构，其中，3位粗分量化，3位中分量化，6位细分量化。该A/D转换器只需50个比较器，转换速度为60MSPS。