数电研讨--AD DA转换的外特性研究

数电研讨
高性能A/D与D/A转换电路的外特性研究
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2015-12
目录
引言 --------------------------------------------------------------------------------------- 3 摘要 --------------------------------------------------------------------------------------- 3 Abstract ----------------------------------------------------------------------------------- 3
一、A/D转换的基本原理---------------------------------------------------------- 4
二、A/D转换的过程 ----------------------------------------------------------------- 4
三、几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究 ------------------------- 5
3.1逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性 ------------------------- 5
3.2积分型A/D转换器原理及外特性 -------------------------------------- 6
3.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性 ------------------------- 7
3.4 过采样Σ-Δ型AD转换电路的原理及外特性 ---------------------- 8
3.5流水线型AD转换电路的原理及外特性---------------------------- 10
3.6几种AD转换电路的外特性比较-------------------------------------- 12
四、A/D转换电路的设计--------------------------------------------------------- 12
4.1确定设计思路 -------------------------------------------------------------- 13
4.2并行比较型A/D转换电路的设计思路------------------------------ 13
4.3流水线型A/D转换电路 ------------------------------------------------- 15
五、未来发展展望------------------------------------------------------------------ 19
六、总结------------------------------------------------------------------------------- 20
七、参考文献 ------------------------------------------------------------------------ 21
引言
人类社会正在步人信息时代，而信息时代的一个重要标志就是数字化。

得益于计算机技术的发展，数字信号处理起来要比模拟信号方便得多，人们更愿意将模拟信号转换成数字信号来处理。

作为数字信号和模拟信号之间的桥梁，A/D转换器当仁不让成为数字化的核心。

摘要
本文从基本原理，转换过程，实现技术和发展趋势等几个方面来介绍A/D转换电路，研究了几种A/D转换电路电路的外特性，并且基于研究结果和分析对设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路（不计成本）提出并行比较型和流水线型电路两种设计思路，并对其未来进行展望。

关键词：外特性流水线型A/D转换电路并行比较型A/D转换电路转换速度分辨率
Abstract
This paper introduces A/D conversion circuit from four parts, which are the fundamental principles, the process of conversion, the technologies and the future of A/D conversion. Based on the differences between several circuits, we design a resolution for 32-bit, converting speed of
10 ns A/D conversion circuit in parallel comparison type and
pipeline type. Mainly from the A/D converter, the principle of this circuit is constructed. At the same time, the paper points out the future development of A/D field.
Keywords:External characteristics, pipeline A/D conversion circuit, parallel comparison A/D circuit, conversion speed, the ratio of resolution
一、A/D转换的基本原理
A/D转换的过程是将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。

但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

二、A/D转换的过程
要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别称为采样、保持、量化、编码。

图2-1 A/D转换的过程
采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号，考虑到模数转换器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样频率一般取2．5～3倍的最高频率成分。

保持是将时
间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号，虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，实际上保持器总是与采样器做在一起，两者合称采样保持器。

量化是指将采样--保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔）的整数倍，将连续的模拟电压近似成分散的量化电平。

编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。

到此，也就完成了A/D转换。

采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码，也就是说，这些过程通常是合并进行的。

三、几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究
速度和精度作为A/D转换电路的最重要的两个外部特性，这一部分中我们会对几种不同的A/D转换电路进行分析和比较。

3.1逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性
逐次比较型A/D转换电路主要由采样保持电路(S&H)、D/A转换器、比较器、逐次逼近寄存器(SAR)、时序及其他控制电路组成,其核心是D/A转换器和比较器。

图3-1 SA-A/D转换器的基本结构
逐次逼近转换过程和用天平称物重非常相似。

天平称重物过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体行进比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。

再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。

照此一直加到最小一个砝码为止。

将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。

仿照这一思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。

1个时钟周期完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，转换完成，输出二进制数。

逐次比较型A/D转换电路的外特性表现为转换速度中等，精度较高，输入带宽较低。

当分辨率要求越高时，所需要的时钟周期就越多，故分辨率分辨率和转换速率是矛盾的，要提高分辨率就必然牺牲转换速率。

当精度要求不断提高时就需要相应分辨率的模数转换器，而这相对难于实现，故其分辨率的高也是在一个相对的范围内。

当分辨率低于12位时价格低，采样速率可达1MSPS。

所以适用于中速率而分辨率要求相对较高的场合，并且与其它A/D相比，功耗相当低。

3.2积分型A/D转换器原理及外特性
积分型A/D转换技术是目前最常见的技术，它有单积分和双积分两种转换方式，单积分型A/D转换电路转换精度不高，所以现在已经基本被淘汰。

双积分型A/D转换电路对输入模拟电压和参考电压分别进行两
次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。

双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。

图3-2 双积分型A/D转换电路原理
双积分型转换方式的外特性表现为精度较高，转换速度慢，能够大幅抑止高频噪声。

由于积分电路的响应是输入信号的平均值，所以它具有较强的抗干扰能力，另外在两次积分内，只要RC元件参数不发生瞬变，转换结果就与RC无关，故分辨率相对较高，最高可以达到22位。

由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声，使得电路的抗干扰能力强。

但当分辨率的要求增加时，其转换的时间必然会增加，故要提高其转换速度必然会牺牲精度。

所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域，如数字仪表领域。

3.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性
并行比较型A/D转换器由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编
码器组成。

图3-3 并行比较型A/D转换电路原理
由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换速度最快。

随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，大量的比较器会使得电路之间出现匹配误差，导致分辨率不高，功耗大，成本高。

所以只适用于速度要求特别高的领域.如视频A/D转换器等。

就现阶段其转换速度一般在125Msps- 10Gsp(四位并行)之间; 由于受到功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率难以做得很高。

3.4 过采样Σ-Δ型AD转换电路的原理及外特性
Σ—ΔA/D转换器总体上来说由Σ—Δ调制器（又称增量调制器）和数字抽取滤波器组成。

Σ—ΔA/D转换器是一种低速高精度的过采样AD转换器，在过去的几十年中，主要应用于音频和部分视频频段
的信号处理中。

如图1所示，A/D转换器的量化过程即是用一等间隔阶梯波函数x1 t 去逼近一时间连续函数的波形x t 。

传统原理的A/D转换器（例如逐次比较型A/D转换器）的量化是等时间间隔Δt对连续波形采样，进行幅度量化。

图3-4 连续波形量化过程
过采样Σ-Δ型ADC由Σ-Δ调制器和数字抽取滤波器两部分构成。

Σ-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即Σ-Δ码;数字抽取滤波器完成对Σ-Δ码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。

Σ-Δ模数转换的主要特点是转换的精度很高，高于积分电路，内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，由于采用了过采样调制、噪音成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(16位以上)，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。

但由于其采样频率过高，所以相对于其他电路来说功耗较高，并且，其速度也不快，Σ-Δ转换方式的转换速率一
般在1Msps以内。

3.5流水线型AD转换电路的原理及外特性
流水线型AD转换电路由若干级电路串联组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。

快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。

首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率的粗ADC对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器MDAC产生一个对应于量化结果的模拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。

经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细ADC对残余信号进行转换。

将上述各级粗、细ADC的输出组合起来即构成高精度的n位输出。

图3-5 流水线型A/D转换器原理图
图3-6 每级内部结构图
流水线型A/D转换电路的外特性表现为转换速度很高，仅次于并行，精度也很高，成本相对较低，功耗较低。

是对并行转换方式进行改进而设计出的一种转换方式。

在一定程度上既具有并行转换高速的特点，又具有逐次逼近型结构简单的特点，从而解决了制造困难的问题。

它能够提供高速、高分辨率的A/D转换，还有令人满意的低功耗和较小的芯片尺，经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。

3.6几种AD转换电路的外特性比较
四、A/D转换电路的设计
要求设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路。

4.1确定设计思路
我们已经研究了几种A/D转换电路外特性，速度和精度作为A/D 转换电路的核心性能指标，在大多数情况下两者是对互相矛盾的产物，很多时候我们需要进行取舍。

设计一个转换精度为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路必然是在选取一个相对高速的方式下，尽可能地提高其分辨率。

并行A/D转换电路是速度最快的转换电路，其目前精度不高主要是由于成本，体积，功耗等现实层面问题，而流水线型A/D转换电路作为并行的一种优化，并且存在错误校正环节，在高速的前提之下，可以实现高精度，它由于分级思想，可以处理同时处理多个模拟量，提高了效率。

通过上述研究，我们确立了基本的两条主线思路。

4.2并行比较型A/D转换电路的设计思路
图4-1 并行比较型设计原理图
闪烁型A/D转换电路的设计思路就是运用2的32次方减一个比较器以及比较器数量的2倍的电阻，即使在忽略体积的前提下，如此多数量的比较器意味着需要对其进行编码，其复杂的编码过程，以及其如此多输入带来的延时问题使得实际的时间远大于10ns ，首先要克服的是时间上的问题，其实，如果我们换一种思路，放弃其原有的复杂编码过程而采用一种最高高电平检测的方法，因为我们发现我们的输出有效的其实就是所有高电平中最高的一位，按照这个思路来走，只要我们设计一个电路可以快速检测最高高电平，那么我们发现理论上可以解决复杂编码带来的时间延迟。

除去编码问题之外，其还存在一些其他方面现阶段不可行的问题。

如此多结构重复的并行比较器之间任何失配都会造成静态误差，比较器的亚稳态还会产生闪烁码温度计气泡，即使这些问题都可以通过高成本来避免，但是，当比较器的数量增加时，对于比较器的分辨能力也有要求，如果比较器不能够分辨2的32次方精度的两个数，即使运用如此多的比较器在现实层面也是无法真正比较出来的，因此该思路可以作为提高其速度和精度的一个方向，在理论上如果忽略一切误差，假设比较器精度极高的话是可行的。

但是就现阶段即使不计成本也难于实现。

4.3流水线型A/D转换电路
图4-2 流水线型原理图
流水线的设计思路其实是一种分级的思想，将32位分成几级，然后逐级进行处理。

我们将电路分成四级，则每级需要得出八位数字量，我们不妨模拟一下此类电路的框图架构，当处理的模拟量数量不断增加时，虽然单次处理的时间可能高于10ns，但是只要确保每一级电路的时间在10ns左右就可以是的平均用时在10ns左右。

方案一：
AD9286是一款8位单芯片采样模数转换器(ADC)，支持交错工作模式，专门针对低成本、低功耗和易用性进行了优化。

各ADC的转换速率高达250 MSPS，动态性能卓越。

AD9286采用单个采样时钟，通过片内时钟分频器，使两个ADC 内核实现时间交错（每个内核的工作频率为时钟频率的一半），从而达到额定值500 MSPS。

利用SPI，用户可以精确地调整各ADC采样沿的时序，尽可能降低图像的杂散能量。

该ADC要求采用1.8 V单电源供电及编码时钟信号，以便充分发挥其工作性能。

许多应用都无需外部基准源器件。

数字输出兼容LVDS。

AD9286采用48引脚无铅LFCSP
封装，额定温度范围为−40°C至+85°C工业温度范围。

图4-3 AD9286功能框图
由于运用流水线式结构，所以我们还需要相应的数模转换转换芯片，目前八位的DAC芯片ADV7125吞吐量可达330 MSPS，那么单次处理时间大约在3ns左右，因为该芯片是三通道的，故四级电路中仅需要运用到一片该芯片。

图4-4 ADV7125功能框图
电路原理图如下：
图4-5 方案一电路原理图
忽略数模变换以及放大时间，则处理一个模拟量的时间为17ns，在经过锁存器以及数字误差校正环节，而实际上当处理多个模拟量时，同时转换为数字量的时间在5-10ns之间，那么加上后期电路，完全可以实现32位分辨率，10ns转换速度。

方案二：
在方案二中，我们希望用市面上已有的16位模数转换芯片，做成一个两级的流水式模数转换电路。

ADI推出业界速度最快的16位ADC（模数转换器）--250MSPS（兆每秒采样）AD9467（如图所示）。

与其它16位数据转换器相比，这款16位、250MSPSADC可在能耗降低35%的情况下将采样率提高25%，其信号处理性能达到新的高度，该芯片处理16位的时间为4ns，而目前最快的16位数模转换芯片AD9142是一款双通道、16位、高动态范围数模转换器(DAC)，提供1600 MSPS采样速率，这样的话单次处理时间仅为0.6ns，这样的话
两级电路处理一个模拟量的时间为8.6ns，再加上锁存器以及数字误差校正环节，这样的话多次处理时间完全可以达到10ns。

图4-6 AD9467功能框图
图4-7 方案二电路原理图
对于两种方案进行比较，我们发现两级流水线电路处理的速度更快，并且只有两级，后期的处理工程也会相对简便一些，就性能而言，第二种设计方案更加优越。

因此对于流水线法而言，虽然单次的处理时间不能够达标，但是多次的处理平均时间可以实现，在不断提高各
级电路的速度的情况下，还能对其优化，流水线法的巧妙在于运用分时复用的原理，在提高效率的同时，又不会增加高额的成本，相对来说现实可行。

五、未来发展展望
当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HDTV 的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。

在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。

而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。

在高精度测量领域，高级仪表的分辨率在不断提高，电流到达μA量级，电压到达mV甚至更低;在音频领域，各种高性能专业音频处理设备不断涌现，如DVD-Audio和超级音频CD(SACD)，它们能处理更高质量的音频信号。

为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展：
高转换速度：现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。

比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz 和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。

因此，向超高速A/D 转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

高精度：现代数字系统的分辨率在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在专业音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。

目前，最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。

现在，人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。

低功耗：片上系统(SOC)已经成为集成电路发展的趋势，在同一块芯片上既有模拟电路又有数字电路。

为了完成复杂的系统功能，大系统中每个子模块的功耗应尽可能地低，因此，低功耗A/D转换器是必不可少的。

在以往的设计中，5MSPS8～12位分辨率A/D转换器的典型功耗为100～150mW。

这远不能满足片上系统的发展要求，所以，低功耗将是A/D转换器一个必然的发展趋势。

六、总结
数字电子技术把原本复杂多变的模拟量转换成数字量来处理，而A/D转换作为模拟量和数字量之间的桥梁，在数字电子技术中有着不容忽视的作用。

A/D转换电路的最核心的性能指标就是速度和精度，但速度和精度往往不能兼得，所以我们就需要根据实际来选择合适的A/D转换电路，同时还要考虑到功耗、成本等因素综合选择。

这次研究的过程中，我遇到了很多问题，在网上也查阅了很多资料，包括一些论文还有设计时所需芯片的功能框图等等。

经过对这些资料的研究，找到了合适的解决问题的方法，同时也了解到许多课本上没有的知识，为以后的学习打下基础。

七、参考文献
[1]侯建军.数字电子技术基础(第二版)[M].高等教育出版社,2007,12
[2]史艳琼.常见的几种A/D转换技术分析[J].淮南师范学报,2005,3(7):33_35
[3]陈树毅,马琪.A/D转换技术及其发展趋势[J].杭州电子科技大学学报,2006,26(6):57-61。