ADC概述

何為ADC？

模擬數字轉換器，即A/D轉換器，或簡稱ADC（Analog to Digital Converter），通常是指一個將模擬信號轉變為數字信號的電子元件。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬信號轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。

這種轉換器的基本原理是把輸入的模擬信號按規定的時間間隔采樣，并與一系列標準的數字信號相比較，數字信號逐次收斂，直至兩種信號相等為止。然后顯示出代表此信號的二進制數，模擬數字轉換器有很多種，如直接的、間接的、高速高精度的、超高速的等。每種又有許多形式。同模擬數字轉換器功能相反的稱為“數字模擬轉換器”，亦稱“譯碼器”，它是把數字量轉換成連續變化的模擬量的裝置，也有許多種和許多形式。

ADC的主要分類

下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點：Σ-Δ調制型、逐次逼近型、積分型、并行比較型/串并行型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

1、Σ-Δ ADC（Sigma-Delta)

Σ-Δ ADC由積分器、比較器、1位DA轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，用數字濾波器處理后得到數字值。電路的數字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

Σ-Δ ADC不是對信號的幅度進行直接編碼，而是根據前一次采樣值與后一次采樣值之差（增量）進行量化編碼，通常采用一位量化器，利用過采樣和∑-Δ調制技術來獲得極高的分辨率。Σ-ΔADC由非常簡單的模擬電路和十分復雜的數字信號處理電路構成。

∑-ΔADC三大關鍵技術：過采樣，噪聲整形，數字濾波和采樣抽取。

優點：

分辨率較高，高達24位；轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC；價格低；內部利用高倍頻過采樣技術，實現了數字濾波，降低了對傳感器信號進行濾波的要求。

缺點：

高速Σ-Δ型ADC的價格較高；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。

2、逐次逼近型（SAR）

逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括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。它是將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，1個時鐘周期完成位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期，轉換完成，輸出二進制數。

這一類型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會受到限制。

優點：

分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率可達1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低。

缺點：

在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。

SAR-ADC轉換器的原理比較簡單，但是實現方式多種多樣，按照其中DAC的工作原理，大致可以將SAR-ADC轉換器分為三種類型：電壓定標、電流定標、電荷定標。

電壓定標

電壓定標出現最早，工作原理最簡單，其電路結構如下圖所示。

電阻串組成的電壓定標型ADC最大的優勢是能夠保持良好的單調性，得到了工業應用。但是對于N位的SAR-ADC轉換器，需要2^N個單位電阻。隨著ADC轉換位數的增多，單位電阻和開關呈指數增加，例如對于8位的SAR-ADC，需要256個單位電阻和510個開關，這么多單元所占芯片面積是相當可觀的。

電流定標

電流定標也是早期常見的一種類型，它是利用二進制加權的電流，配合開關實現二進制搜索算法的。常見的電流定標SAR-ADC又可以分為兩種，一種使用二進制加權的電流源陣列，另一種使用R-2R階梯。

使用MOS管組成的這種結構，由于使用了電流開關，所以轉換速度較快。但是MOS管的閾值電壓變化比較大，MOS管的參數的匹配誤差會影響二進制加權電流源的匹配，給SAR-ADC轉換器帶來了較大的精度誤差。

使用R-2R階梯的電流定標SAR-ADC可以在低電壓供電的情況下正常工作。但是MOS工藝的電阻匹配精度交叉，盡管可以使用溫度計編碼降低對電阻匹配精度的要求，但是，電阻阻值受溫度的影響較大，容易引入線性度誤差。

電荷定標

電荷定標是目前應用比較多的一種類型，它利用電容通過電荷再分配完成二進制搜索算法，因此功耗一般比較小，而且不需要額外的采樣保持電路，按照電容的組織方式，可分為并行電容方式和串行電容方式。

并行電容

并行電容方式一般多指使用二進制加權電容陣列的SAR-ADC，它的基本單元有二進制加權的電容陣列、1個與LSB電容等值的電容、開關和比較器。

串行電容

串行電容方式使用串行DAC，僅通過2個等值電容的電荷再分配，即可完成逐次逼近過程。對于一個 N位的串行DAC，整個轉換需要N次預充電和N次電荷再分配過程。然而，串行DAC的轉換是從最低位開始的，故使用串行DAC的N位SAR ADC需要N（N+1）次充放電，而且需要N個比較器的建立時間。

串行電容方式的SAR ADC轉換器只需要兩個中等大小的電容，所以比并行電容SAR ADC轉換器的芯片面積更小，但是它能達到精度受開關晶體管的寄生電容影響，而且轉換速度慢，應用并不廣泛。

3、積分型

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數器獲得數字值。

積分型ADC有不同的種類，常見的有單、雙斜率積分等。增加一個“斜率”，以犧牲轉換時間為代價而增加精度。

優點：

分辨率高，可達 22 位；線性度非常好。本質上，輸入端與一個集成的參考電壓相比較來決定輸出端，所以線性度將取決于比較器的精度；電路實現拓撲簡單，用于實現這些設備的元件相對較少，因此電路相對簡單且生產成本較低。

缺點：

轉換速率低，轉換速率在12 位時為100～300SPS。

初期的單片AD轉換器大多采用積分型，現在逐次逼近型已逐步成為主流。

單斜率積分ADC

比較器將輸入電壓與集成基準電壓的值進行比較（請注意，由于已連接至運算放大器的反相輸入，因此我們將設為負）。同時計算時鐘周期數。當積分器輸出等于時，比較器輸出邏輯“ 0”，觸發計數器和積分器復位，鎖存器保持數字輸出。

雙斜率積分ADC

雙斜率比單斜率ADC更慢，由于執行了兩次積分，與積分器斜率相關的誤差將被抵消，從而從原理上提高了精度。

4、并行比較型/串并行比較型

并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash(快速)型。由于轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉換器等速度特別高的領域。

串并行比較型AD結構上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉換器配合DA轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為 Half flash(半快速)型。

三步或多步實現AD轉換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉換時序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數字運算而修正特性等功能。

5、流水線型（Pipelined）

流水線結構ADC，又稱為子區式 ADC，它是一種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；經過合理的設計，還可以提供優異的動態特性。流水線型 ADC 由若干級級聯電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的 ADC 和 DAC 以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精確的 n 位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m 位分辨率粗 A/D 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/擬電平并送至求和電路，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關交下一級電路處理。經過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的 K 位細 A/D 轉換器對殘余信號進行轉換。將上述級粗、細A/D 的輸出組合起來即構成高精度的 n 位輸出。

在這個原理圖中，模擬輸入VIN首先被采樣并由采樣保持器(S&H)保持穩定，而第一階段的flash ADC將其量化為三位。然后將3位輸出饋給3位DAC(精確到12位)，然后從輸入中減去模擬輸出。這個“剩余量”擴大4倍并被送入下一階段(第二階段)。這個增加的剩余量繼續通過下級流水線，每一階段提供3位，直到它到達4位flash ADC，將解析最后的4LSB位。因為每個階段的位是在不同的時間點確定的，所以相同樣本對應的所有位在被饋送到數字錯誤校正邏輯之前都與移位寄存器進行了時間對齊。請注意，當一個流水完成對輸入樣本的處理，確定本流水采集位并將殘差傳遞到下一個流水時，它便可以開始處理從每個流水中嵌入的采樣保持器接收到的下一個樣本。

這種流水線操作是高吞吐量的原因，這也是流水的概念。

流水線ADC可能有許多變化，這取決于幾個變量：每個階段解析多少位；LSB閃存ADC中的位數；以及是否使用數字校準或微調來提高前兩個階段的精度。每個階段的比特劃分部分由目標采樣率和分辨率決定。

應用

廣泛應用于CCD成像、超聲波醫學成像、數字接收器、基站、數字視頻、電纜調制解調器和快速以太網。

采樣率比較低的應用程序仍然是逐次逼近寄存器和集成體系結構的領域，當然還有過采樣。盡管如此，近年來各種形式的流水線ADC在速度、分辨率、動態性能和低功耗方面都有了很大的提高。

大多數現代流水線ADC采用了一種“數字糾錯”的技術，大大降低了Flash ADC的精度要求。

優點：

有良好的線性和低失調；可以同時對多個采樣進行處理，有較高的信號處理速度，典型的為Tconv<100ns；低功率；高精度；高分辨率；可以簡化電路。

缺點：

基準電路和偏置結構過于復雜；輸入信號需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲；對鎖存定時的要求嚴格；對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它參數。

6、壓頻變換型

壓頻變換型(Voltage-Frequency Converter)是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然后用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數的寬度。其優點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數電路共同完成AD轉換。