ADC的类型及原理介绍

1万 · 2012-11-7 17:57

闪速型ADC “N位闪速”或“并行架构”ADC采用了2N–1个比较器组成的阵列(图3)。模拟信号被同时接到每个比较器，每个比较器的另外一个输入端都有一个不同的基准电压，而且电压递增幅度相当于1个LSB。电阻分压器产生基准电压，因此基准电压精度等同于电阻的精度。

图3：闪速型ADC将采样得到的输入信号同时馈送到多个比较器，这些比较器的基准电压由分压器串确定。

在每次量化时，所有比较器同时被时钟驱动。基准电压低于模拟信号的比较器产生数字1，基准电压等于或高于模拟信号的比较器产生数字0。结果就生成了输入信号的“温度计编码”。ADC中的输出逻辑再将这种编码转换成标准的二进制码。闪速型ADC的速度非常快，因为一个ADC在每个时钟周期都会产生输出。它们通常比较昂贵，因为其电路比较复杂。

1万 · 2012-11-7 17:57

流水线ADC

作为对上述复杂性的折衷，流水线ADC减少了比较器的数量，同时增加了转换过程的时钟周期数(图4)。它们的量化需要两级或更多级电路。每级电路由一个采样保持(S/H)电路、一个具有“M”位分辨率的闪速型ADC和一个数模转换器(DAC)组成。采样保持电路的输出是某个电压，当电路接收到一个触发信号时，这个电压将“锁定”于输入端电压。

图4：流水线ADC使用多级架构，每一级由采样保持、具有分辨率位数较少的闪速ADC和DAC组成，每一级的输入是它前面一级电路的输出。每次转换时都会从前级电路的输入中减去DAC的输出。

在流水线ADC的第一级电路中，采样/保持电路采样模拟信号，然后由闪速ADC将采样值转换为M位数字编码。这个编码代表了ADC最终输出的那些最高有效位(MSB)。相同的代码被送至DAC，经DAC转换为模拟电压。采样/保持电路所保持的电压将被减去这个电压。流水线结构中的下一级电路则继续采样结果电压并进行转换。级数取决于要求的分辨率以及每一级中使用的闪速ADC的分辨率。

理论上，这种ADC分辨率应该是闪速型ADC分辨率之和。但实际应用中，有些位要用于纠错。流水线ADC的速度没有闪速型ADC快，但它们可以实现更高的分辨率和动态范围。在通信系统中，宽的输入带宽允许欠采样。作出一系列转换的需求将导致信号采样点和输出端出现数字信号之间出现时间差(延时)。

1万 · 2012-11-7 17:58

Sigma-Delta ADC

Sigma-Delta ADC拥有一个Sigma-Delta调制器和一个1位DAC。Sigma-Delta调制器由一个模拟积分器和一个比较器组成，反馈信号来自1位DAC(图5)。模拟输入信号电压需要减去这个DAC输出。减完后的差值电压被送到积分器和比较器。比较器的另外一个输入是基准电压。比较器的输出是1位数字输出，用于驱动DAC。

图5：在每个采样周期，sigma-delta ADC将输出一串比特流，经过数字滤波和压缩后被转换成输入信号的再生信号。

这个过程以非常快的“超采样率”时钟驱动，虽然实际量化时间比较长，因为比较器的二元输出流是一串连续的1和0。1与0的比例是输入信号幅度的函数。代表模拟输入值的二元输出通过数字滤波和压缩这个流中的1和0数量得到。这是重复不变的一部分。

但速度不是sigma-delta ADC的重要特性，分辨率才是。sigma-delta ADC的分辨率可以高达24位。另外，超采样降低了对抗混叠滤波的要求。相反，正是由于超采样，sigma-delta ADC还支持被称为噪声整形的技术，其中输入信号的高频噪声分量频率得到提高，然后从ADC的输出中经过数字滤波滤除。

离散时间和连续时间sigma-delta

sigma-delta架构有两种，即离散时间(DT)和连续时间(CT)。离散时间转换器的典型分辨率范围从16位至24位，输入带宽可达5MHz。连续时间转换器提供12位到16位的分辨率，输入带宽高达25MHz。它们也有内置的抗混叠滤波功能。从架构上看，连续时间sigma-delta在积分器之前增加了一个连续时间的噪声整形滤波器(NSF)(图5)。

1万 · 2012-11-7 18:08

逐次逼近型ADC

逐次逼近(SAR)转换器将模拟输入电压与一系列渐次缩小的电压进行比较(图6)。每个电压代表了数字输出编码中的一个位。这些电压是满刻度输入电压的分数(1/2、1/4、1/8、1/16……1/2N，其中N＝位数)。

图6：SAR转换器将模拟输入电压与逐次下降的一系列电压进行比较，然后累积结果。

第一次比较发生于模拟输入电压和代表MSB的电压之间。如果模拟输入电压大于MSB电压，MSB值就设为1。如果不超过MSB电压，MSB值就设为0。

第二次比较发生在模拟输入电压与代表MSB和下个MSB之和的电压之间，随后根据比较结果确定第二个MSB的值。第三次比较在模拟输入电压与代表三个MSB之和的电压之间进行。这个过程一直重复，直到确定LSB的值。

可以在小面积的硅片上构建SAR转换器，因此制造成本较低。为了实现N位分辨率，它们需要N次比较步骤，因此转换时间要比流水线式ADC长。