AD转换技术的发展历程及其趋势

A/D转换电路的外特性研究以及A/D展历程和趋势学院：学生：指导教师目录目录1引言 32A/D转换器的发展历史 331引言 32A/D转换器的发展历史 33A/D转换技术的发展现状 33。1全并行模/数字转换 43.2两步型模/数字转换 43.3插值折叠型模/数字转换 53.4流水线型模/数字转换 63.5逐次逼近型模/数字转换 73。6Σ-Δ模拟/数字转换 84A/D转换器的比较与分类 95A/D转换技术的发展趋势 10A/DA/D转换电路的外特性研究以及A/D转换技术的发展历程和趋势引言A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展,人们对A/D/A/DA/D转换技术未来的发展趋势。A/D转换器的发展历史.,A/D转换器正是基于这种要求应运而生的.1970由于MOSMOS.转换器只能采用多芯片方式实现，成1975年，一个采用NMOS10位逐次逼近型A/D转换器成为最早出现的单片A/D1976年11CMOS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中，数;而且，此时的MOS1980年代，出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转换器，但是工艺复杂，成本高。随着CMOS工艺的CMOS工艺制作单片A/DA/D.1990年代,便携式电子产品的普遍应用要求A/DA/D转换器功耗为mW级而现μW级.A/D,A/DMSPS,24位。A/D转换技术的发展现状通常，通常，A/D,决定了A/DA/D转换器的电路结构和工作性能.A/D转换器的类型很多，下面介绍几种目前常用的模拟/数字转换技术.全并行模拟/数字转换全并行A/D1所示。它的工作原理非常简单，模拟输入信号同时与2N—1n位数字输出。它是迄今为止速A/D500MSPS.但是，它也存在很多不足。首先，硬件开销大,其功耗和面积与分辨率呈指数关系；其次，结构重复的并行比较器之间必须要精密匹配，任何失配都会造成静态误差.A/D即所谓的“闪烁码A/D转换器只适用于分辨率较低的情况。图1N位全并行A/D转换器结构框图A/D,从而可A/D转换器进行更高精度的模拟/Lane设计了一个10位60MSPS转换速A/D转换器，通过运用插值技术，将比较器的数目从1023个减小到512个，大大节省了功耗和面积。3。2 两步型模拟数字转换A/D转换器的结构如图2所示.首先，由一个粗分全并行A/D转换器对输入进行高N1位的高位数字输出，并将此输出通过数字/模拟转换，恢复为模拟量；然后,将原输入电压与此模拟量相减,/数字转换器进行转换，产生N2位的低位数字输出;最后,A/D字输出。A/DA/DA/DA/D转换器可用于10位以上的模拟/,剩余量必须被A/D转换器的输入模拟量范围，否则，会产生非线性和失码。另外，第一A/DD/A转换器的建立时间及精度是限制两步型A/D转换器工作速度的一个重要因,所以，大多数两步型A/D转换器都采用了数字校正技术来改善这一问题.RazaviB.WooleB.AA/D10ns5mV分辨率为12位。图2 两步型A/D转换器的结构框图3。3 插值折叠型模拟数字转换折叠结构如图3所示，其基本原理就是通过一个特殊的模拟预处理（3中的阴影部分)产生余差电压，并随后进行数字化，获得最低有效位(LSB)，最高有效位（MSB)则通过与折A/D转换器得到，几乎在对信号采样的同时,图3 折叠结构框图图3中,折叠电路的传输函数是理想情况，实际电路很难实现.所以，一般的折叠结构都具有非线性，但其过零点处的非线性为0。若只考虑这些过零点，则VinVrj被正确确定，再采用插值的办法产生额外的过零点来解决低位.这就是插值折叠的基本思想，它既利用了折叠特性，又不带来额外的非线性。各种新技术的运用,A/D转换器的性能不断提高。这里介绍两种新技术:电,其精度受到电阻匹配度的限制，而在电流式插值器中,Li，Y-C等人通过在细量化通路上采用电流模式信号处理技术来降低电压摆幅,获得了具有300MSPS60MHz7A/D转换器。另一种改进方法就是采用级联结构.A/D12A/D转换器采用三步式级联结构，其中,3位粗分量化，3位中分量化，6A/D转换器只需50个比较器,转换速度为60MSPS。3。4 流水线型模拟数字转换A/DA/D转换器的进一步扩展，其结构如图4所示。它将一个高分辨率的n位模拟/数字转换分成多级的低分辨率的转换,然后将各级的转换结果组合起/（S/HA/DD/A减法器和可提供增益的级间放大器组成。图4 流水线型A/D转换器结构框图A/D转换器具有以下优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调；每一级都具有各自独立的采样保持放大器，因此允许流水线各级同时对;输入信号必须穿过数级电路，造成流水延迟；同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷和印刷线路板较敏感，这会影响增益非线性、失调及其它参数。线性、失调及其它参数。目前，普遍采用两种新技术来提高流水线A/D转换器的性能。一种是时间交织技术，使多条流水线并行工作。通过采用这种技术，可大大提高转换速率,但并行的通道数不能太多，否则，会大大增加芯片面积和功耗，而且各个通路之间需要高度匹配，在工艺上很难实现。Sumanen，L.等人设计了一个具有4A/D转换器,采用0。5μmCMOS工艺A/D转换器的采样率高达200MSPS,分辨率为10,其主要思想是将校准周期内测量到的误差存放在存储器中，然后在正常运算周期内，通过原始码寻址，得到校对码，再通过原始码和校对码的运算，得到最终的数字输出。这种技术可对模拟电路的失调不匹配以及非线性引入的误差等进行有效的校正，从而使流水线A/D转换器的精度超过10位。Hakarainen,VA/D转换器，运用这种校正技D/A,从而在10位的器件匹配精度下获得了14位的转换精度。逐次逼近型模拟数字转换A/D转换器的结构如图5D/AD/A转换器的输出转换器的输出;D/A过程过程,,A/D转换器在一个时钟周期里只完成1NNN个时钟周期，故它的采样率不高，输入带宽也较低；但电路结构简单，面积和功耗小，而且不存在延迟问题积和功耗小，而且不存在延迟问题.A/DD/A转换器,A/D转换器的精度和速度.D/A转换器传统的制作方法是用精密电阻网络实现，但是它的精度不高。以电容阵D/AMOSGan,J-H等人采用非二进制的D/AD/A转换器的精度高达22位，制作出功耗为50mW的16位1。5MSPS高性能逐次逼近型A/D转换器。图5 逐次逼近型A/D转换器结构框图Σ—Δ模拟数字转换Σ—ΔA/D转换器的结构如图6Σ-Δ调制器和数字滤波器组成.调制器包括一个1D/A转换器的反馈环,具有噪声整形功能,.Σ-Δ调制时,经调制器输出的是1Σ2Δ数字流，包含大量高频噪声,频噪声，降低抽样频率。图6Σ2ΔA/D转换器结构框图Σ-ΔA/DA/D转换器。此外，它还具有极其优越的线性度、无.但是，过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率，从而限制了输入信号带宽；而且，随着过采样率的提高，功耗会大大增加。因此，在保证一定精度的前提下，尽可能地降低过采样率变得十分关键。目前普遍采用的方法主要有两种：多级噪声整形技术（MASH)，该技术采用多个级联的、稳定的一阶或二阶回路；另一种是多位Σ-ΔA/D转换器，该结构含有一个nA/DnD/A.2001ADSL应用设计的4Σ-Δ调制器采用2-1—14A/D转换器的过采样率仅为16，分辨率12位,采样率为4MSPS77mW。Σ-ΔA/DΣ-ΔA/D转换器采用带通滤波器替代积分器,量化噪声被向上和向下移出有用频带，再由带通数字滤波器将有用频带外的其他信号和量化噪声滤除,从而直接对中频信号进行高精度转换。Schreier，R。等人采用0.35μmBiCMOSΣ-ΔA/D转换器,其带宽为90dB，功耗为50mW32MHzΣ—ΔA/D转换器，其Σ—ΔA/D转换器大得多,Σ-ΔA/D转换器可用于射频领域。一个采用InPHBT工艺实现的二阶Σ-Δ123.2GHz.Σ-ΔA/D转换器并联起来，对输入进行模拟预处理,对输出进行数字后处理，可获得与提高过采样比一样的效果,ΔD转换器过采样比为1，从而进一步提Σ-ΔA/D转换器，其并行通道数为8，输入信号带宽为160kHz。A/D转换器的比较与分类表表1A/DA/D转换器的速度和精度，大致可分为三类。1)高速低(或中等）精度A/DA/D转换器速度快,但是精度不高，而且消耗的功耗大，占用的芯片面积也很大,主要用于视频处理、通信、高速数字测量仪器和雷达等领域。2）A/DA/D转换器是以速度来换取精度，如逐次逼A/D转换器.A/DkHzkHz之间，精度也比高速A/D转换器高（10~16位)频处理等领域.3A/D转换器.A/D(1～24位，如Σ—ΔA/D转换器。该类型A/D制等领域。项目分辨率

全并行超高速6—10

两步型高速8-12位

型高速8-12位

流水线型高速8-16位

型度8—16位

型高精度16—24位转换时间几百ns几百ns几十至几百ns几百ns几至几十us几至几十ms采样率几十MSPS几MSPS几至几十MSPS几MSPS几十至几百MSPS几十MSPS功耗高中较高中低中主要用途超高速视频处理视频处理雷达数据传输视频处理，通信数据采集，工业控制音频处理，数字仪表表表1 各种A/D转换器的性能比较A/D转换技术的发展趋势当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域当前，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，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(SDR）,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辨率在不断提高,μA量级,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频处理设备不断涌现,DVD-Audio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：,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/DA/D大输入信号频率在1GHz和5GHz,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