幾種模數轉換技術的分析比較

引言
??? 模數轉換是將模擬輸入信號轉換為N位二進制數字輸出信號的技術。采用數字信號處理能夠方便實現各種先進的自適應算法，完成模擬電路無法實現的功能，因此，越來越多的模擬信號處理正在被數字技術所取代。與之相應的是，作為模擬系統和數字系統之間橋梁的模數轉換的應用日趨廣泛。為了滿足市場的需求，各芯片制造公司不斷推出性能更加先進的新產品、新技術，令人目不暇接。本文就幾種最為常用的模數轉換技術進行分析比較。

1 模數轉換技術

模數轉換包括采樣、保持、量化和編程四個過程。采樣就是將一個連續變化的信號x(t)轉換成時間上離散的采樣信號x(n)。根據奈奎斯特采樣定理，對于采樣信號x(t)，如果采樣頻率fs大于或等于2fmax（fmax為x(t)最高頻率成分），則可以無失真地重建恢復原始信號x（t）。實際上，由于模數轉換器器件的非線性失真，量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣速率一般取fs=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數字化，需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。量化是將連續幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數轉換器的輸入阻抗值有關。編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合并進行的，例如，采樣和保持就利用一個電路連續完成，量化和編碼也是在轉換過程同時實現的，且所用時間又是保持時間的一部分。實現這些過程的技術有很多，從早在上世紀70年代就出現的積分型到最新的流水線模數轉換技術，種類繁多。由于原理的不同，決定了它們性能特點的差別。

1.1 積分型模數轉換器

積分型模數轉換器稱雙斜率或多斜率數據轉換器，是應用最為廣泛的轉換器類型。典型的是雙斜率轉換器，我們就以其為例說明積分型模數轉換器的工作原理。雙斜率轉換器包括兩個主要部分：一部分電路采樣并量化輸入電壓，產生一個時域間隔或脈沖序列，再由一個計數器將其轉換為數字量輸出，如圖1所示。

??? 雙斜率轉換器由1個帶有輸入切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數單元構成。積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內積分，該時間間隔通常對應于內部計數單元的最大地數。時間到達后將計數器復位并將積分器輸入連接到反板性（負）參考電壓。在這個反極性信號作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計數器終止，積分器復位。

積分型模數轉換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz）的能力，使其對于嘈雜的工業環境以及不要求高轉換速率的應用有用（如熱電偶輸出的量化）。

1.2 逐次逼近型模數轉換器

逐次逼近型轉換器包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元，如圖2所法。轉換中的逐次逼近是按對分原理，由控制邏輯電路完成的。其大致過程如下：啟動轉換后，控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其它位置0，逐次逼近寄存器的這個內容經數模轉換后得到約為滿量程輸出一半的電壓值。這個電壓值在比較器中與輸入信號進行比較。比較器的輸出反饋到數模轉換器，并在下一次比較前對其進行修正。在邏輯控制電路的時鐘驅動下，逐次逼近寄存器不斷進行比較和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的轉換。這時逐次逼近寄存器的各位值均已確定，逐次逼近轉換完成。

由于逐次逼近型模數轉換器在1個時鐘周期內只能完成1位轉換。N位轉換需要N個時鐘周期，故這種模數轉換器采樣速率不高，輸入帶寬也較低。它的優點是原理簡單，便于實現，不存在延遲問題，適用于中速率而分辨率要求較高的場合。

1.3 閃爍型模數轉換器

與一般模數轉換器相比，閃爍型模數轉換器速度是最快的。由于不用逐次比較，它對N位數據不是轉換N次，而是只轉換一次，所以速度大為提高。圖3所示為N位閃爍型模數轉換器的原理。轉換器內有一定參考電壓，模擬輸入信號被同時加到2N-1個鎖存比較器。每個比較器的參考電壓由電阻網絡構成的分壓器引出，其參考電壓比下一個比較器的參考電壓高一個最低有效位。當模擬信號輸入時，風參考電壓比模擬信號低的那些比較器均輸出高電平（邏輯1），反之輸出低電平（邏輯0）。這樣得到的數碼稱之為溫度計碼。該碼被加到譯碼邏輯電路，然后送到二進制數據輸出驅動器上的輸出寄存器.

盡管閃爍型轉換器具有極快的速度（最高1GHz的采樣速率），但其分辨率受限于管芯尺寸、過大的輸入電容以及數量巨大的比較器所產生的功率消耗。結構重復的并行比較器之間還要求精密地匹配，因此任何失配都會造成靜態誤差，如使輸入失調電壓（或電流）增大。

閃爍型模數轉換器還易產生離散的、不確定的輸出，即所謂的“閃爍碼”。閃爍碼主要有兩個來源：2N-1個比較器的亞穩態及溫度計編碼氣泡；不匹配的比較器延遲會使邏輯1變為邏輯0（或反之），如同溫度計中出現了一個氣泡。由于模數轉換器中的編碼單元無法識別這種錯誤，經過編碼后的輸出同樣會出現“閃爍”。

閃爍型模數轉換器的另外一個考慮因素是管芯尺寸。一個8位閃爍型轉換器比同等位數的流水線模數轉換器要大將近7倍。如果與流水線結構作進一步的比較，閃爍型轉換器的輸入電容和功率消耗分別要高出6倍和2倍。

1.4 ∑-Δ型模數轉換器

∑- Δ轉換器又稱為過采樣轉換器。這種轉換器由∑-Δ調制器及連接及其后的數字濾波器構成，如圖4所示。調制器的結構近似于雙斜率模數轉換器，包括1個積分器和1個比較器，以及含有1個1位數模轉換器的反饋環。這個內置的數模轉換器僅僅是一個開關，它將積分器輸入切換到一個正或負參考電壓?！?Δ模數轉換器還包括一個時鐘單元，為調制和數字濾波器提供適當的定時。窄帶信號送入∑-Δ模數轉換器后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，但采樣頻率卻非常高。經過數字濾波處理后，這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率；同時模數轉換器的分辨率（即動態范圍）被提高到16位或更高。

盡管∑-Δ模數轉換器采樣速率較低，且限于比較窄的輸入帶寬，但在模數轉換器市場上仍占據了很重要的位置。它具有三個主要優勢：

*低價格、高性能（高分辨率）；

*集成化的數字濾波；

*與DSP技術兼容，便于實現系統集成。

2 流水線模數轉換器

從上面對幾種常用模數轉換器的介紹不難看出，它們都存在這樣或那樣的不足，而流水線結構（或稱為子區式）的模數轉換器是更為高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數轉換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸（意味著低價格）；經過合理的設計，還可以提供優異的動態特性。

??? 流水線模數轉換器的功能框圖如圖5所示。這種結構的模數轉換器采用多個低精度的閃爍型模數轉換器采樣信號進行分級量化，然后將各級的量化結果組合起來，構成一個高精度的量化輸出。每一級由采樣/保持電路（T/H）、低分辨率模數轉換器和數模轉換器以及求和電路構成，求和電路還包括可提供增益的級間放大器。一個N位分辨率的流水線模數轉換器完成一次采樣的程序大致如下：

首級電路的采樣/保持器地輸入信號采樣后先由一個M位分辨率的粗模數轉換器對輸入進行量化，接著用一個至少N位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產生一個對應于量化結果的模擬電平送至求和電路。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送交下一級電路處理。經過L級這樣的處理后，最后由一個較高精度的K位精細模數轉換器對殘余信號進行轉換。將上述各級粗、細A模數的輸出組合起來構成高精度的N位輸出。為了便于糾正重疊誤差，流水線各級電路都留有冗余位，即滿足：

L×M+K>N

其中，L為級數（制造商各有不同），M為各級中模數轉換器電路的粗分辨率。K為精細模數轉換器級的細分辨率，而N就是流水模數轉換器的總分辨率。

流水線模數轉換器中各級電路分別有自己的跟蹤/保持電路，因此，當信號傳遞給次級電路后本級電路的跟蹤/保持器就可釋放出來處理下一次采樣。這樣就提高了整個電路的吞吐能力，一次采樣可在一個時鐘周期內完成。為了補償不理想的邊界效應，如溫度漂移或乘積型數模轉換器中電容的失配，部分流水模塊轉換器還配有校正單元。該單元通常用于流水線的多級（并非所有）電路中，利用兩個校正碼使乘積型數模轉換器輸出幅度等于VREF的躍變，任何與此躍變偏離的結果都會被測量到。各級轉換器的誤差被采集起來并存儲到內部存儲器中，正常工作時再將結果從RAM中取回并分別對流水線各環節的增益和乘積型數模轉換器的電容失配進行補償。

總之，流水線結構簡化了模數轉換器的設計，并具有以下優點：

*每一線的冗余位優化了重疊誤差的糾正；

*每一級具有各自獨立的采樣/保持放大器，前一級電路的采/保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行處理；

*更低的功率消耗；

*更高的采樣速度，價格更低，所需設計時間更少，難度更??；

*很少有比較器進入亞穩態，從根本上消除了閃爍碼溫度計氣泡。

但同時，流水線模數轉換器也存在一些缺點：

*復雜基準電路和偏置結構；

*輸入信號必須穿過數級電路，造成流水延遲；

*同步所有輸出需要嚴格的鎖存定時；

*對工藝缺隱較敏感，會影響增益非線性、失調及其它參數；

*與其它轉換技術相比，對印制板布線更敏感。