AD轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展歷程及其趨勢(shì)

A/D轉(zhuǎn)換電路的外特性研究以及A/D展歷程和趨勢(shì)學(xué)院：學(xué)生：指導(dǎo)教師目錄目錄1引言 32A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史 331引言 32A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史 33A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 33。1全并行模/數(shù)字轉(zhuǎn)換 43.2兩步型模/數(shù)字轉(zhuǎn)換 43.3插值折疊型模/數(shù)字轉(zhuǎn)換 53.4流水線型模/數(shù)字轉(zhuǎn)換 63.5逐次逼近型模/數(shù)字轉(zhuǎn)換 73。6Σ-Δ模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換 84A/D轉(zhuǎn)換器的比較與分類(lèi) 95A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 10A/DA/D轉(zhuǎn)換電路的外特性研究以及A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)引言A/D轉(zhuǎn)換器作為模擬和數(shù)字電路的接口，正受到日益廣泛的關(guān)注。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)A/D/A/DA/D轉(zhuǎn)換技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史.,A/D轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運(yùn)而生的.1970由于MOSMOS.轉(zhuǎn)換器只能采用多芯片方式實(shí)現(xiàn)，成1975年，一個(gè)采用NMOS10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器成為最早出現(xiàn)的單片A/D1976年11CMOS積分型A/D轉(zhuǎn)換器。此時(shí)的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中，數(shù);而且，此時(shí)的MOS1980年代，出現(xiàn)了采用BiCMOS工藝制作的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器，但是工藝復(fù)雜，成本高。隨著CMOS工藝的CMOS工藝制作單片A/DA/D.1990年代,便攜式電子產(chǎn)品的普遍應(yīng)用要求A/DA/D轉(zhuǎn)換器功耗為mW級(jí)而現(xiàn)μW級(jí).A/D,A/DMSPS,24位。A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀通常，通常，A/D,決定了A/DA/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作性能.A/D轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型很多，下面介紹幾種目前常用的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù).全并行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換全并行A/D1所示。它的工作原理非常簡(jiǎn)單，模擬輸入信號(hào)同時(shí)與2N—1n位數(shù)字輸出。它是迄今為止速A/D500MSPS.但是，它也存在很多不足。首先，硬件開(kāi)銷(xiāo)大,其功耗和面積與分辨率呈指數(shù)關(guān)系；其次，結(jié)構(gòu)重復(fù)的并行比較器之間必須要精密匹配，任何失配都會(huì)造成靜態(tài)誤差.A/D即所謂的“閃爍碼A/D轉(zhuǎn)換器只適用于分辨率較低的情況。圖1N位全并行A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖A/D,從而可A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行更高精度的模擬/Lane設(shè)計(jì)了一個(gè)10位60MSPS轉(zhuǎn)換速A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)運(yùn)用插值技術(shù)，將比較器的數(shù)目從1023個(gè)減小到512個(gè)，大大節(jié)省了功耗和面積。3。2 兩步型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示.首先，由一個(gè)粗分全并行A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行高N1位的高位數(shù)字輸出，并將此輸出通過(guò)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換，恢復(fù)為模擬量；然后,將原輸入電壓與此模擬量相減,/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生N2位的低位數(shù)字輸出;最后,A/D字輸出。A/DA/DA/DA/D轉(zhuǎn)換器可用于10位以上的模擬/,剩余量必須被A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬量范圍，否則，會(huì)產(chǎn)生非線性和失碼。另外，第一A/DD/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間及精度是限制兩步型A/D轉(zhuǎn)換器工作速度的一個(gè)重要因,所以，大多數(shù)兩步型A/D轉(zhuǎn)換器都采用了數(shù)字校正技術(shù)來(lái)改善這一問(wèn)題.RazaviB.WooleB.AA/D10ns5mV分辨率為12位。圖2 兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖3。3 插值折疊型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換折疊結(jié)構(gòu)如圖3所示，其基本原理就是通過(guò)一個(gè)特殊的模擬預(yù)處理（3中的陰影部分)產(chǎn)生余差電壓，并隨后進(jìn)行數(shù)字化，獲得最低有效位(LSB)，最高有效位（MSB)則通過(guò)與折A/D轉(zhuǎn)換器得到，幾乎在對(duì)信號(hào)采樣的同時(shí),圖3 折疊結(jié)構(gòu)框圖圖3中,折疊電路的傳輸函數(shù)是理想情況，實(shí)際電路很難實(shí)現(xiàn).所以，一般的折疊結(jié)構(gòu)都具有非線性，但其過(guò)零點(diǎn)處的非線性為0。若只考慮這些過(guò)零點(diǎn)，則VinVrj被正確確定，再采用插值的辦法產(chǎn)生額外的過(guò)零點(diǎn)來(lái)解決低位.這就是插值折疊的基本思想，它既利用了折疊特性，又不帶來(lái)額外的非線性。各種新技術(shù)的運(yùn)用,A/D轉(zhuǎn)換器的性能不斷提高。這里介紹兩種新技術(shù):電,其精度受到電阻匹配度的限制，而在電流式插值器中,Li，Y-C等人通過(guò)在細(xì)量化通路上采用電流模式信號(hào)處理技術(shù)來(lái)降低電壓擺幅,獲得了具有300MSPS60MHz7A/D轉(zhuǎn)換器。另一種改進(jìn)方法就是采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu).A/D12A/D轉(zhuǎn)換器采用三步式級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中,3位粗分量化，3位中分量化，6A/D轉(zhuǎn)換器只需50個(gè)比較器,轉(zhuǎn)換速度為60MSPS。3。4 流水線型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換A/DA/D轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步擴(kuò)展，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它將一個(gè)高分辨率的n位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換分成多級(jí)的低分辨率的轉(zhuǎn)換,然后將各級(jí)的轉(zhuǎn)換結(jié)果組合起/（S/HA/DD/A減法器和可提供增益的級(jí)間放大器組成。圖4 流水線型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖A/D轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：每一級(jí)的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線性和低失調(diào)；每一級(jí)都具有各自獨(dú)立的采樣保持放大器，因此允許流水線各級(jí)同時(shí)對(duì);輸入信號(hào)必須穿過(guò)數(shù)級(jí)電路，造成流水延遲；同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時(shí)；對(duì)工藝缺陷和印刷線路板較敏感，這會(huì)影響增益非線性、失調(diào)及其它參數(shù)。線性、失調(diào)及其它參數(shù)。目前，普遍采用兩種新技術(shù)來(lái)提高流水線A/D轉(zhuǎn)換器的性能。一種是時(shí)間交織技術(shù)，使多條流水線并行工作。通過(guò)采用這種技術(shù)，可大大提高轉(zhuǎn)換速率,但并行的通道數(shù)不能太多，否則，會(huì)大大增加芯片面積和功耗，而且各個(gè)通路之間需要高度匹配，在工藝上很難實(shí)現(xiàn)。Sumanen，L.等人設(shè)計(jì)了一個(gè)具有4A/D轉(zhuǎn)換器,采用0。5μmCMOS工藝A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率高達(dá)200MSPS,分辨率為10,其主要思想是將校準(zhǔn)周期內(nèi)測(cè)量到的誤差存放在存儲(chǔ)器中，然后在正常運(yùn)算周期內(nèi)，通過(guò)原始碼尋址，得到校對(duì)碼，再通過(guò)原始碼和校對(duì)碼的運(yùn)算，得到最終的數(shù)字輸出。這種技術(shù)可對(duì)模擬電路的失調(diào)不匹配以及非線性引入的誤差等進(jìn)行有效的校正，從而使流水線A/D轉(zhuǎn)換器的精度超過(guò)10位。Hakarainen,VA/D轉(zhuǎn)換器，運(yùn)用這種校正技D/A,從而在10位的器件匹配精度下獲得了14位的轉(zhuǎn)換精度。逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖5D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出;D/A過(guò)程過(guò)程,,A/D轉(zhuǎn)換器在一個(gè)時(shí)鐘周期里只完成1NNN個(gè)時(shí)鐘周期，故它的采樣率不高，輸入帶寬也較低；但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面積和功耗小，而且不存在延遲問(wèn)題積和功耗小，而且不存在延遲問(wèn)題.A/DD/A轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器的精度和速度.D/A轉(zhuǎn)換器傳統(tǒng)的制作方法是用精密電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，但是它的精度不高。以電容陣D/AMOSGan,J-H等人采用非二進(jìn)制的D/AD/A轉(zhuǎn)換器的精度高達(dá)22位，制作出功耗為50mW的16位1。5MSPS高性能逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。圖5 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖Σ—Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換Σ—ΔA/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖6Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成.調(diào)制器包括一個(gè)1D/A轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán),具有噪聲整形功能,.Σ-Δ調(diào)制時(shí),經(jīng)調(diào)制器輸出的是1Σ2Δ數(shù)字流，包含大量高頻噪聲,頻噪聲，降低抽樣頻率。圖6Σ2ΔA/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖Σ-ΔA/DA/D轉(zhuǎn)換器。此外，它還具有極其優(yōu)越的線性度、無(wú).但是，過(guò)采樣技術(shù)要求采樣頻率遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)頻率，從而限制了輸入信號(hào)帶寬；而且，隨著過(guò)采樣率的提高，功耗會(huì)大大增加。因此，在保證一定精度的前提下，盡可能地降低過(guò)采樣率變得十分關(guān)鍵。目前普遍采用的方法主要有兩種：多級(jí)噪聲整形技術(shù)（MASH)，該技術(shù)采用多個(gè)級(jí)聯(lián)的、穩(wěn)定的一階或二階回路；另一種是多位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)含有一個(gè)nA/DnD/A.2001ADSL應(yīng)用設(shè)計(jì)的4Σ-Δ調(diào)制器采用2-1—14A/D轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣率僅為16，分辨率12位,采樣率為4MSPS77mW。Σ-ΔA/DΣ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器采用帶通濾波器替代積分器,量化噪聲被向上和向下移出有用頻帶，再由帶通數(shù)字濾波器將有用頻帶外的其他信號(hào)和量化噪聲濾除,從而直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換。Schreier，R。等人采用0.35μmBiCMOSΣ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器,其帶寬為90dB，功耗為50mW32MHzΣ—ΔA/D轉(zhuǎn)換器，其Σ—ΔA/D轉(zhuǎn)換器大得多,Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器可用于射頻領(lǐng)域。一個(gè)采用InPHBT工藝實(shí)現(xiàn)的二階Σ-Δ123.2GHz.Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)起來(lái)，對(duì)輸入進(jìn)行模擬預(yù)處理,對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)字后處理，可獲得與提高過(guò)采樣比一樣的效果,ΔD轉(zhuǎn)換器過(guò)采樣比為1，從而進(jìn)一步提Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，其并行通道數(shù)為8，輸入信號(hào)帶寬為160kHz。A/D轉(zhuǎn)換器的比較與分類(lèi)表表1A/DA/D轉(zhuǎn)換器的速度和精度，大致可分為三類(lèi)。1)高速低(或中等）精度A/DA/D轉(zhuǎn)換器速度快,但是精度不高，而且消耗的功耗大，占用的芯片面積也很大,主要用于視頻處理、通信、高速數(shù)字測(cè)量?jī)x器和雷達(dá)等領(lǐng)域。2）A/DA/D轉(zhuǎn)換器是以速度來(lái)?yè)Q取精度，如逐次逼A/D轉(zhuǎn)換器.A/DkHzkHz之間，精度也比高速A/D轉(zhuǎn)換器高（10~16位)頻處理等領(lǐng)域.3A/D轉(zhuǎn)換器.A/D(1～24位，如Σ—ΔA/D轉(zhuǎn)換器。該類(lèi)型A/D制等領(lǐng)域。項(xiàng)目分辨率

全并行超高速6—10

兩步型高速8-12位

型高速8-12位

流水線型高速8-16位

型度8—16位

型高精度16—24位轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百ns幾百ns幾十至幾百ns幾百ns幾至幾十us幾至幾十ms采樣率幾十MSPS幾MSPS幾至幾十MSPS幾MSPS幾十至幾百M(fèi)SPS幾十MSPS功耗高中較高中低中主要用途超高速視頻處理視頻處理雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸視頻處理，通信數(shù)據(jù)采集，工業(yè)控制音頻處理，數(shù)字儀表表表1 各種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在視頻領(lǐng)域當(dāng)前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在視頻領(lǐng)域,高清晰度數(shù)字電視系統(tǒng)(HDTV)的出現(xiàn),將廣播電視推向了一個(gè)更高的臺(tái)階，將廣播電視推向了一個(gè)更高的臺(tái)階，HDTV的分辨率與普通電視相比至少提高了一倍。在通信領(lǐng)域信領(lǐng)域,過(guò)去無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專(zhuān)用調(diào)制(SDR）,并能方便地升級(jí)和跟蹤新技術(shù)，大大地推動(dòng)了無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測(cè)量領(lǐng)域，高級(jí)儀表的分升級(jí)和跟蹤新技術(shù)，大大地推動(dòng)了無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測(cè)量領(lǐng)域，高級(jí)儀表的分辨率在不斷提高辨率在不斷提高,μA量級(jí),mV甚至更低；在音頻領(lǐng)域，各種高性能專(zhuān)業(yè)音頻處理設(shè)備不斷涌現(xiàn)頻處理設(shè)備不斷涌現(xiàn),DVD-Audio號(hào)。為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求，A/D轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：高轉(zhuǎn)換速度：,要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。比如，在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中，A/DA/D大輸入信號(hào)頻率在1GHz和5GHz,轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展的趨勢(shì)是清晰可見(jiàn)的。高精度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級(jí)儀表的最小可測(cè)值在不斷地減