數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)如何選擇ADC架構(gòu)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC連接著現(xiàn)實(shí)模擬世界與電子系統(tǒng)，是芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。ADC將真實(shí)世界產(chǎn)生的模擬信號(hào)，如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式，和DAC一起構(gòu)建起真實(shí)世界與數(shù)字世界的橋梁，是模擬芯片中難度最高的那一部分。

從消費(fèi)電子到通信行業(yè)，從汽車領(lǐng)域到工業(yè)領(lǐng)域，從軍事到航空航天，只要涉及模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)的地方都需要ADC的支持。

將ADC細(xì)分來(lái)看可以大致分為兩個(gè)方向，高精度與高速是兩個(gè)發(fā)展的極端。ADC的兩個(gè)最重要的指標(biāo)速度和精度，存在著相互制約的關(guān)系。當(dāng)然，信噪比、通道間串?dāng)_、增益溫漂等指標(biāo)也是衡量一個(gè)ADC好壞的重要參數(shù)。

目前應(yīng)用較多的ADC集中在SAR逐次逼近、Delta Sigma過(guò)采樣以及Pipeline流水線型ADC三種類型上。SAR是目前應(yīng)用很廣泛的一個(gè)結(jié)構(gòu)，這得益于它的性價(jià)比很高，能在相對(duì)低成本范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的轉(zhuǎn)換性能，被譽(yù)為通用混合信號(hào)電路的支柱。采用這種結(jié)構(gòu)，ADC的性能變化范圍很大，分辨率可以覆蓋到20bits以下的各種分辨率，轉(zhuǎn)換速率可以從1KSPS覆蓋到5MSPS。

SAR ADC各方面能力都處于中等水平，除了性價(jià)比上的優(yōu)勢(shì)，其采樣延遲也很短，一般對(duì)于循環(huán)時(shí)間必須保持高度可預(yù)測(cè)性的控制系統(tǒng)最合適的架構(gòu)選擇就是SAR。SAR ADC依靠其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，比較常見的就是在電機(jī)控制里和數(shù)字電源里用一個(gè)SAR采樣保持單元去把一個(gè)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化。

SAR ADC設(shè)計(jì)中雙極技術(shù)、CMOS技術(shù)和BIMOS技術(shù)都有應(yīng)用，分別對(duì)應(yīng)不同的電路設(shè)計(jì)。SAR ADC結(jié)構(gòu)有一個(gè)不同于其他ADC結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，就是其ADC的線性度依賴于數(shù)模轉(zhuǎn)化器的線性度。在精密DAC的配合下，SAR ADC能有很寬的工作溫度范圍。

而Delta Sigma是近些年使用最為普遍的高精度ADC結(jié)構(gòu)，在精度達(dá)到20bits以上的ADC里是必選結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換速率上Delta Sigma ADC也能覆蓋很廣的范圍，從100SPS到10MSPS都可以實(shí)現(xiàn)。除了高分辨率，此結(jié)構(gòu)還有很高的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，Delta Sigma ADC都是高度集成的，可以取代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多個(gè)組件。不過(guò)與其他架構(gòu)相比，Delta Sigma ADC架構(gòu)有一個(gè)劣勢(shì)在于會(huì)出現(xiàn)周期延遲。

Delta Sigma ADC通過(guò)OSR過(guò)采樣技術(shù)對(duì)采樣分辨率和速率進(jìn)行調(diào)整，整體來(lái)看工藝要求不算很高，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，尤其是在消費(fèi)類傳感器應(yīng)用里，高精度的傳感很青睞采用過(guò)采樣結(jié)構(gòu)。往高端測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展這種高精度ADC的價(jià)格就很昂貴了，而且屬于禁運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)。

Pipeline流水線型ADC主打一個(gè)高速的ADC采樣，分辨率則不會(huì)太高，在8-12bits，是高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的常客。流水線型ADC廣泛用于無(wú)線基站、高速儀表和高速頻譜分析應(yīng)用中。

在需要更高速的轉(zhuǎn)換中，閃存ADC能提供目前最快的速率。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。一般這種超高速ADC已經(jīng)不考慮消費(fèi)類這種民用市場(chǎng)，只應(yīng)用在高端測(cè)量領(lǐng)域。

受超高速限制，閃存ADC在分辨率上基本上目前都是8位的，8位的成本已經(jīng)很高。而閃存ADC分辨率每高一位，其設(shè)計(jì)復(fù)雜程度以及成本都會(huì)呈指數(shù)增加?，F(xiàn)在國(guó)際巨頭廠商也有10位的閃存ADC，價(jià)格更高，而且這種超高速ADC基本都在禁運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)里。

隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應(yīng)用的崛起，高精高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)愈發(fā)常見。在高精高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，放大器、DAC、ADC這些都是必不可少的，ADC作為信號(hào)鏈核心，其重要性不言而喻。不同結(jié)構(gòu)的分辨率、速度、復(fù)雜度對(duì)ADC的設(shè)計(jì)影響很大，高精高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選擇何種ADC是能否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳性能的關(guān)鍵。