金手套 ADC 锦标赛——SAR 迎战 时间：2010-09-01 13:55:35 来源：赛普拉斯半导体公司 作者：Andrew Siska,Meng He
一边是当前流行的SAR ADC，另一边是相对较新的模数转换技术∑△ADC，二者比拼的结果会是如何呢？
我们要进行七轮角逐，在这七轮中将分别就以下分类项目打分：
1 转换准确性
2 转换速度
3 攻击线性
4 高低压侧转换准确性
5 差动非线性
6 积分非线性
7 量化误差
人们已经对两种技术的比拼等待了很长时间。SAR ADC 和它的新近挑战技术终于能够进行一对一的比拼了。谁能最终获胜呢？SAR ADC 的特点是体形较大（采样和保持电路），速度较快，决定性较弱；而∑△ADC 则属于轻量级选手，其采用了集成电路以及科学的方法和准确的思考进程。
图 1：∑△ 和 SAR 拓扑
图中文字：integrator：积分器
comparator：比较器
digital filter：数字滤波器
clock：时钟
第一轮：转换准确性
准确性是由增益误差和非线性决定的。我们在这一轮在讨论的是增益误差，非线性问题将在第五轮和第六轮比拼中讨论。
增益误差有两种。刻度 (scale) 信号误差是由参照差异以及输入和 ADC 之间增益通道的差异造成的，误差的大小与信号强弱相关。偏置误差是由输入放大器中的输入器件以及 ADC 积分电路／比较器中使用的运算放大器造成的。
我们在图 1 中可看到∑△的调制器（积分器、比较器和 1 位 DAC）和数字滤波器。∑△ADC 可在其前端包含可选的增益放大器。改变放大器的增益会改变输入采样电容的大小。由于采样电容存在差异，因此增益不会是绝对精确的，需要 ADC 校准。为了纠正偏置和增益误差，我们要根据零转换、正满刻度转换和负满刻度转换结果获得校准因数。
另一方面，SAR ADC 的转换准确性取决于电压参照、内部 DAC 和比较器。ADC 的内部 DAC 和比较器的准确性应和整体系统一样，任何的不准确都会导致线性误差，而这是校准所不能解决的。
在第一轮中，∑△ADC因其自身的单调性而胜出。
第二轮：转换速度
∑△转换器需要 2n 个采样来完成转换，因此转换速度取决于转换器的分辨率。分辨率越高，需要的转换时间就越长。数字音频设备通常使用的传统∑△转换器带宽约 22kHz。近期，带宽达 1MHz ~ 2MHz、分辨率达 12 ~ 20 位的∑△转换器已经上市，这些转换器通常包含四级（乃至更高）∑△调制器，而且支持多位反馈 DAC。
在SAR ADC 转换周期开始时，DAC 设为半刻度，并对待测电压和 DAC 输出进行比较。DAC 在每一步进中都进行更新，选择下一位并进行比较。我们通过二进制搜索（“逐次逼近”）来发现输入电压的数字形式。
SAR ADC在第二轮中因其转换算法实际速度较高而胜出。
第三轮：攻击线性
差动非线性 (DNL) 和积分非线性 (INL) 这两种形式的非线性都取决于拓扑和转换器的构造。DNL 和 INL 误差不能像增益和偏置误差一样通过校准解决。
∑△ADC 的准确性取决于积分电路／比较器中运算放大器的稳定性。如果调制器切换太快，而运算放大器不能保持同步，则会出现非线性问题。
不管分辨率达到多少位，∑△ADC 本身都是单调性的。其性能是固定的，并不取决于具体的组件值或组件匹配。
就 SAR ADC 而言，线性误差是由内部 DAC 和比较器的准确性不高造成的。线性误差是 SAR 设计的副效应。
第三轮的胜出者是∑△ADC。
第四轮：高低压侧的转换准确性
∑△转换器提高了特定输出代码的非线性，这取决于抽取器中所用的 FIR 滤波器。这种非线性主要出现在刻度端点上。端点非线性对持续数据流（如数字音频）不构成问题，但系统如果需要轨到轨线性检测，则不应使用 ∑△转换器。
SAR ADC 不会出现较大的∑△转换器高低压侧端点不准确性问题。其端点准确性取决于内部 DAC 和比较器的轨到轨跟踪（电压合规）。
SAR ADC在第四轮在因其高低压侧的准确度较高而胜出。
第五轮：差动非线性
差动非线性误差是指实际步进和 1 LSB 理想值之间的差异。因此，如果步长或高刚好为 1 LSB，那么差动非线性误差就为零。如果 DNL 超过 1 LSB，则转换器可能是非单片的，这就意味着输出强度会下降，而输入强度上升。在 ADC 中，也可能出现丢失代码的问题，如一个或多个 2n 二进制代码无法输出。
不管分辨率达到多少位，∑△ADC本身都是单调性的。其性能是固定的，并不取决于具体的组件值或组件匹配。
SAR ADC 本身不是单调性的，其性能取决于具体的组件值或组件匹配。
第五轮的胜出者是∑△ADC。 |
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