AD/DA轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展歷程及其趨勢

引　言

隨著電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷發(fā)展，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局。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A/D轉(zhuǎn)換器的要求也越來越高，新型的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷涌現(xiàn)。本文著重介紹了當前幾種常用的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)；并通過對數(shù)字技術(shù)發(fā)展近況的分析，探討了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史

計算機、數(shù)字通訊等數(shù)字系統(tǒng)是處理數(shù)字信號的電路系統(tǒng)。然而，在實際應(yīng)用中，遇到的大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運而生的。1970年代初，由于MOS工藝的精度還不夠高，所以模擬部分一般采用雙極工藝，而數(shù)字部分則采用MOS工藝，而且模擬部分和數(shù)字部分還不能做在同一個芯片上。因此，A/D轉(zhuǎn)換器只能采用多芯片方式實現(xiàn)，成本很高。1975年，一個采用NMOS工藝的10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器成為最早出現(xiàn)的單片A/D轉(zhuǎn)換器。

1976年，出現(xiàn)了分辨率為11位的單片CMOS積分型A/D轉(zhuǎn)換器。此時的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字部分占主體，模擬部分只起次要作用；而且，此時的MOS工藝相對于雙極工藝還存在許多不足。1980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工藝的不斷發(fā)展，采用CMOS工藝制作單片A/D轉(zhuǎn)換器已成為主流。這種A/D轉(zhuǎn)換器的成本低、功耗小。1990年代，便攜式電子產(chǎn)品的普遍應(yīng)用要求A/D轉(zhuǎn)換器的功耗盡可能地低。當時的A/D轉(zhuǎn)換器功耗為mW級，而現(xiàn)在已經(jīng)可以降到μW級。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和速度也在不斷提高，目前，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度已達到數(shù)百MSPS，分辨率已經(jīng)達到24位。

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

通常，A/D轉(zhuǎn)換器具有三個基本功能:采樣、量化和編碼。如何實現(xiàn)這三個功能，決定了A/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/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的工作原理非常簡單，模擬輸入信號同時與2^N-1個參考電壓進行比較，只需一次轉(zhuǎn)換就可以同時產(chǎn)生n位數(shù)字輸出。它是迄今為止速度最快的A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣速率可以達到500MSPS。但是，它也存在很多不足。首先，硬件開銷大，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，任何失配都會造成靜態(tài)誤差。而且，這種A/D轉(zhuǎn)換器還容易產(chǎn)生離散和不確定的輸出，即所謂的“閃爍碼”。所以，全并行A/D轉(zhuǎn)換器只適用于分辨率較低的情況。

圖1　N位全并行A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

減小全并行A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電容和電阻網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)是提高其性能的關(guān)鍵。為了達到這一目的，采用了各種新技術(shù)，如將全并行結(jié)構(gòu)與插值技術(shù)相結(jié)合，可降低功耗和面積，從而可使全并行A/D轉(zhuǎn)換器進行更高精度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。Lane C.設(shè)計了一個10位60MSPS轉(zhuǎn)換速率的全并行A/D轉(zhuǎn)換器，通過運用插值技術(shù)，將比較器的數(shù)目從1023個減小到512個，大大節(jié)省了功耗和面積。

兩步型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換
兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，由一個粗分全并行A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進行高位轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生N₁位的高位數(shù)字輸出，并將此輸出通過數(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，對剩余量進行放大，再送到一個更精細的全并行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生N₂位的低位數(shù)字輸出；最后，將這兩個A/D轉(zhuǎn)換器的輸出并聯(lián)，作為總的數(shù)字輸出。

與全并行A/D轉(zhuǎn)換器相比，此種類型的A/D轉(zhuǎn)換器雖然轉(zhuǎn)換速度降低了，但是節(jié)省了功耗和面積，解決了全并行A/D轉(zhuǎn)換器中分辨率提高與元件數(shù)目劇增的矛盾。因此，兩步型A/D轉(zhuǎn)換器可用于10位以上的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，但是，它對剩余量放大器的要求很高，剩余量必須被放大到充滿第二個A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬量范圍，否則，會產(chǎn)生非線性和失碼。另外，第一級A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間及精度是限制兩步型A/D轉(zhuǎn)換器工作速度的一個重要因素，如果建立時間不充分，勢必導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)誤差，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)來改善這一問題。Razavi,B.和Wooley,B.A.采用校正技術(shù)研制的兩步型A/D轉(zhuǎn)換器，其第一級比較器的建立時間只需10ns，失調(diào)電壓可達到5mV，轉(zhuǎn)換速度高達5MSPS，分辨率為12位。

圖2　兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖

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一個特殊的模擬預(yù)處理(圖3中的陰影部分)產(chǎn)生余差電壓，并隨后進行數(shù)字化，獲得最低有效位(LSB)，最高有效位(MSB)則通過與折疊電路并行工作的粗分全并行A/D轉(zhuǎn)換器得到，幾乎在對信號采樣的同時，對余差進行采樣。

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，實際電路很難實現(xiàn)。所以，一般的折疊結(jié)構(gòu)都具有非線性，但其過零點處的非線性為0。若只考慮這些過零點，則V_in與V_rj之差的極性可以被正確確定，再采用插值的辦法產(chǎn)生額外的過零點來解決低位。這就是插值折疊的基本思想，它既利用了折疊特性，又不帶來額外的非線性。

各種新技術(shù)的運用，使插值折疊型A/D轉(zhuǎn)換器的性能不斷提高。這里介紹兩種新技術(shù):電流式插值系統(tǒng)和級聯(lián)結(jié)構(gòu)。用電阻實現(xiàn)的電壓式插值器，其精度受到電阻匹配度的限制，而在電流式插值器中，信號是由電流幅度表示的，其精度更高，而且更適合在低電源電壓下工作。Li，Y-C等人通過在細量化通路上采用電流模式信號處理技術(shù)來降低電壓擺幅，獲得了具有300MSPS轉(zhuǎn)換速度、60MHz輸入信號帶寬、7位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。另一種改進方法就是采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)。在無需增加并行輸入級和細分A/D轉(zhuǎn)換器中比較器數(shù)目的條件下，級聯(lián)結(jié)構(gòu)可將轉(zhuǎn)換精度提高到8位以上。

Vorenkamp,P.等人設(shè)計的12位插值折疊型A/D轉(zhuǎn)換器采用三步式級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中，3位粗分量化，3位中分量化，6位細分量化。該A/D轉(zhuǎn)換器只需50個比較器，轉(zhuǎn)換速度為60MSPS。

流水線型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換
流水線型A/D轉(zhuǎn)換器是對兩步型A/D轉(zhuǎn)換器的進一步擴展，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它將一個高分辨率的n位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換分成多級的低分辨率的轉(zhuǎn)換，然后將各級的轉(zhuǎn)換結(jié)果組合起來，構(gòu)成總的輸出。每一級電路由采樣/保持電路(S/H)、低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、減法器和可提供增益的級間放大器組成。

圖4　流水線型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

這種類型的A/D轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點:每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線性和低失調(diào)；每一級都具有各自獨立的采樣保持放大器，因此允許流水線各級同時對多個采樣進行處理，從而提高了轉(zhuǎn)換速度;分辨率相同的情況下，電路規(guī)模及功耗大大降低。但它也存在一些缺點:復(fù)雜的基準電路和偏置結(jié)構(gòu)；輸入信號必須穿過數(shù)級電路，造成流水延遲;同步所有輸出需要嚴格的鎖存定時；對工藝缺陷和印刷線路板較敏感，這會影響增益非線性、失調(diào)及其它參數(shù)。

目前，普遍采用兩種新技術(shù)來提高流水線A/D轉(zhuǎn)換器的性能。一種是時間交織技術(shù)，使多條流水線并行工作。通過采用這種技術(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，會大大增加芯片面積和功耗，而且各個通路之間需要高度匹配，在工藝上很難實現(xiàn)。Sumanen,L.等人設(shè)計了一個具有4個并行通道的流水線A/D轉(zhuǎn)換器，采用0.5μmCMOS工藝實現(xiàn)。該A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率高達200MSPS，分辨率為10位。另一種新技術(shù)就是數(shù)字校準技術(shù)，其主要思想是將校準周期內(nèi)測量到的誤差存放在存儲器中，然后在正常運算周期內(nèi)，通過原始碼尋址，得到校對碼，再通過原始碼和校對碼的運算，得到最終的數(shù)字輸出。這種技術(shù)可對模擬電路的失調(diào)不匹配以及非線性引入的誤差等進行有效的校正，從而使流水線A/D轉(zhuǎn)換器的精度超過10位。Hakarainen,V.等人研制的交織型流水線A/D轉(zhuǎn)換器，運用這種校正技術(shù)來校正子D/A轉(zhuǎn)換器的誤差，并對各并行通道之間增益和失調(diào)電壓的失配進行補償，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
逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其工作原理如下:輸入信號的抽樣值與D/A轉(zhuǎn)換器的初始輸出值相減，余差被比較器量化，量化值再來指導(dǎo)控制邏輯是增加還是減少D/A轉(zhuǎn)換器的輸出;然后，這個新的D/A轉(zhuǎn)換器輸出值再次從輸入抽樣值中被減去，不斷重復(fù)這個過程，直至其精度達到要求為止。由此可見，這種A/D轉(zhuǎn)換器在一個時鐘周期里只完成1位轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換就需要N個時鐘周期，故它的采樣率不高，輸入帶寬也較低;但電路結(jié)構(gòu)簡單，面積和功耗小，而且不存在延遲問題。

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的一個關(guān)鍵部分就是D/A轉(zhuǎn)換器，它制約著整個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)實現(xiàn)，但是它的精度不高。以電容陣列為基礎(chǔ)，采用電荷重分布技術(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器可以獲得更高的精度，這主要是由于在MOS電路中比較容易制造出小容量的精密電容，而且電容損耗極小。Gan,J-H等人采用非二進制的電容陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器，并采用自校準技術(shù)提高電容的匹配度，使D/A轉(zhuǎn)換器的精度高達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-Δ A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，它由Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成。調(diào)制器包括一個積分器和比較器，以及含有一個1位D/A轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)，具有噪聲整形功能，將量化噪聲從基帶內(nèi)搬移到基帶外的更高頻段，從而提高了信噪比。而且，在進行Σ-Δ調(diào)制時，以遠高于Nyquist采樣率的頻率對模擬信號進行采樣，可減少基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，使轉(zhuǎn)換精度進一步提高。經(jīng)調(diào)制器輸出的是1位的高速Σ2Δ數(shù)字流，包含大量高頻噪聲，因此需要數(shù)字濾波器，濾除高頻噪聲，降低抽樣頻率。

圖6　Σ2ΔA/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器是目前精度最高的A/D轉(zhuǎn)換器。此外，它還具有極其優(yōu)越的線性度、無需微調(diào)，以及更低的防混淆等優(yōu)點。但是，過采樣技術(shù)要求采樣頻率遠高于輸入信號頻率，從而限制了輸入信號帶寬;而且，隨著過采樣率的提高，功耗會大大增加。因此，在保證一定精度的前提下，盡可能地降低過采樣率變得十分關(guān)鍵。目前普遍采用的方法主要有兩種:多級噪聲整形技術(shù)(MASH)，該技術(shù)采用多個級聯(lián)的、穩(wěn)定的一階或二階回路;另一種是多位結(jié)構(gòu)的Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)含有一個n位并行A/D轉(zhuǎn)換器和一個n位D/A轉(zhuǎn)換器。為了獲得更好的效果，通常將這兩種方法結(jié)合使用。2001年，delRio,R.等人為ADSL應(yīng)用設(shè)計的4階Σ-Δ調(diào)制器采用2-1-1三級結(jié)構(gòu)，其中最后一級含有4位量化器。該A/D轉(zhuǎn)換器的過采樣率僅為16，分辨率12位，采樣率為4MSPS，功耗77mW。

另外，還有幾種新技術(shù)被應(yīng)用到Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器中，以提高其性能。帶通Σ-Δ A/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和量化噪聲濾除，從而直接對中頻信號進行高精度轉(zhuǎn)換。Schreier,R.等人采用0.35μm BiCMOS工藝制作的帶通Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，其帶寬為333kHz，動態(tài)范圍90dB，功耗為50mW，時鐘頻率高達32MHz。采用異質(zhì)結(jié)工藝制作的連續(xù)時間Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，其帶寬比開關(guān)電容型Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器大得多，從而使Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器可用于射頻領(lǐng)域。一個采用InPHBT工藝實現(xiàn)的二階Σ-Δ調(diào)制器，其分辨率為12位，信號帶寬為50MHz，采樣率為3.2GHz。將多個Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)起來，對輸入進行模擬預(yù)處理，對輸出進行數(shù)字后處理，可獲得與提高過采樣比一樣的效果，實現(xiàn)奈氏采樣率的Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器(過采樣比為1)，從而進一步提高輸入信號帶寬。奈氏采樣率Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，其并行通道數(shù)為8，輸入信號帶寬為160kHz。

A/D轉(zhuǎn)換器的比較與分類

表1對各種A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和功耗等性能進行了比較。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的速度和精度，大致可分為三類。
1)高速低(或中等)精度A/D轉(zhuǎn)換器，具體的結(jié)構(gòu)有全并行、兩步型、插值折疊型和流水線型。此類A/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)字測量儀器和雷達等領(lǐng)域。
2)中速中等精度A/D轉(zhuǎn)換器。這一類型的A/D轉(zhuǎn)換器是以速度來換取精度，如逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。這一類A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出通常是串行的，它們的轉(zhuǎn)換速度在幾十kHz到幾百kHz之間，精度也比高速A/D轉(zhuǎn)換器高(10～16位)，主要用于傳感器、自動控制、音頻處理等領(lǐng)域。
3)中速或低速高精度A/D轉(zhuǎn)換器。此類A/D轉(zhuǎn)換器速度不快，但精度很高(16～24位)，如Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。該類型A/D轉(zhuǎn)換器主要用于音頻、通信、地球物理測量、測試儀、自動控制等領(lǐng)域。

表1　各種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較


模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢

當前，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更高的臺階，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，過去無線通信系統(tǒng)的設(shè)計都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無線電技術(shù)(SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術(shù)，大大地推動了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測量領(lǐng)域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達μA量級，電壓到達mV甚至更低；在音頻領(lǐng)域，各種高性能專業(yè)音頻處理設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如DVD-Audio和超級音頻CD(SACD)，它們能處理更高質(zhì)量的音頻信號。

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方向發(fā)展:高轉(zhuǎn)換速度:現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。比如，在軟件無線電系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的位置是非常關(guān)鍵的，它要求A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號頻率在1GHz和5GHz之間，以目前的技術(shù)水平，還很難實現(xiàn)。因此，向超高速A/D轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展的趨勢是清晰可見的。

高精度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提高;在專業(yè)音頻處理系統(tǒng)中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。目前，最高精度可達24位的A/D轉(zhuǎn)換器也不能滿足要求?，F(xiàn)在，人們正致力于研制更高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。

低功耗：片上系統(tǒng)(SOC)已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的趨勢，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數(shù)字電路。為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，大系統(tǒng)中每個子模塊的功耗應(yīng)盡可能地低，因此，低功耗A/D轉(zhuǎn)換器是必不可少的。在以往的設(shè)計中，5MSPS8～12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的典型功耗為100～150mW。這遠不能滿足片上系統(tǒng)的發(fā)展要求，所以，低功耗將是A/D轉(zhuǎn)換器一個必然的發(fā)展趨勢。

總之，各種技術(shù)和工藝的相互滲透，揚長避短，開發(fā)出適合各種應(yīng)用場合，能滿足不同需求的A/D轉(zhuǎn)換器，將是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的未來發(fā)展趨勢;高速、高精度、低功耗A/D轉(zhuǎn)換器將是今后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)展的重點。

作者：王晶