A/D转换器的进展及其应用

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A/D转换器的进展及其应用

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A/D转换器的进展及其应用

作者：戴永红文章来源：Internet 点击数：更新时间：2006-12-19

1引言

A/D转换器（ADC）是模拟系统与数字系统接口的关键部件，广泛应用于雷达、通信、电子对抗、声纳、卫星、导弹、测控系统、地震、医疗、仪器仪表、图像和音频等领域〖1〗。

在几年前，12位10MHz的A/D转换器只能采用体积较大、价格昂贵的混合集成电路才能实现。近年来，随着集成电路技术的发展，A/D转换器技术也取得了重大进展。1997年就出现了采样速度为48MHz的12位单片转换器器件〖2〗，目前已经推出了采样速度高达125MHz的12位ADC器件，因而进一步扩大了它在军事和民用电子领域的应用。

2A/D转换器的电路结构及其设计技术

目前，已经实用化的A/D转换器电路结构有积分式、逐次比较式（SAR）、全并行或速闪式（FullParallelorFlash）、二步或多步式（TwosteporMultistep）、折叠插入式（FoldingandInterpolation）、流水线式（Pipelined）、积分增量调制式（∑－△Modulator）等。

全并行（或称速闪式）ADC几乎能在同一瞬间完成转换，是各种转换方式中速度最快的结构。这种转换器的突出特点是结构简单、速度快，但是全并行ADC的超高速是以牺牲器件功耗而得到的，它有成本高、功耗大、元件多、芯片面积大、输入电容大等缺点。

在速度上仅次于全并行方式的是二步式ADC，它是通过牺牲速度来获得器件规模、功耗、芯片面积等方面的优势。目前，在很多领域，二步式ADC已逐渐取代了全并行ADC。虽然二步式ADC的采样速度仅为全并行ADC的一半，但其芯片面积和功耗比全并行ADC要小得多，这一点使得二步式ADC尤其适合于嵌入式系统及一些超高速民用领域。

为了减少全并行ADC中的比较器数量，达到降低ADC功耗和缩小芯片面积而又不损失ADC转换速度的目的，在70年代后期，Arbel等人提出了折叠技术的概念。在80年代后期，折叠插入技术成为实现超高速ADC的主要方法之一。

受数字系统中新发展的流水工作方式的启发，近年来在高精度视频ADC中提出了流水工作新方式。这种方式类似于多步转换，从整个转换过程来看，流水工作方式可以看作是串行的，但就每一步转换来看，又是并行转换的，其速度较快。因此，这种转换方式可以实现很高的转换频率，即能处理较高的信号频率。

∑－△调制在音频领域取得了极大的成就，这主要归因于它固有的高性能。另一方面，虽然实现∑－△调制的数字电路非常复杂，但它一般没有较高的器件特性匹配要求，这使得它可以充分利用当前最为先进和成熟的CMOS工艺，也易于系统集成。正是因为这些特点，现在正把它的应用范围扩大到视频领域。

3国外A/D转换器制造技术的进展

设计技术既以制造工艺为基础，又能推动制造工艺的进步。目前，用于制造ADC的工艺技术几乎涉及双极、MOS、BiCMOS、SOI、GeSi、GaAs等所有半导体技术。其中双极工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺这三种工艺是主流工艺技术，由于采用这三种工艺的ADC制造厂家都制作出了高性能的ADC，因而这三种工艺技术至今尚未分出其水平的高低。另外，在微细加工尺寸方面，大多数商品化高性能产品的加工尺寸都在0.5μm～0.8μm，正逐步趋向于0.35μm～0.5μm水平。

4国外A/D转换器的进展

4.1高分辩率、高速A/D转换器

AD公司最新推出应用于无线和有线宽带通信、雷达和卫星子系统等领域的12位A/D中频采样转换器—AD9433，它的采样速率达到了125MSPS（每秒百万次采样），中频采样速度可达350MHz，它带有片上基准和片上跟踪保持电路，具有低成本、低功耗、小尺寸和方便使用等特点。它用＋5V和＋3.3V两种电源，＋2.5V和3.3V的TTL/CMOS输出，其SNR（信噪比）为68db，SFDR（突然频率偏移率）达到90db，THD（总谐波失真）为90db，功耗为950mW（在125MSPS下）。它采用一种先进的BiCMOS工艺制作，封装为52引线表面安装式TQFP。

NationalSemi.公司针对高分辨率影像系统，已生产出具有2.5MSPS采样速率和0.3LSBDNL的14位ADC。该产品采用了一种全新的带有误差修正电路的自对准20级流水线结构，能保证转换器在全温度范围内提供始终一致的可重复数据输出。

NationalSemi.公司在设计上通过采用信号自动清零和时序拓扑，解决了数字串扰这个棘手的问题。并且，在其ADC内部的采保电路中，把单端输入信号转换成差分信号，大大地提高了电路的噪声抑制能力。ADC14061采用0.65μmCMOS工艺生产，其功耗为390mW，封装采用52引线TQFP。售价为29美元（1000只以上）。

SPT公司采用折叠和辅助修调结构，已生产出具有采样速率为20MSPS，功耗为76mW的12位ADC——SPT7935。工作电压范围为2.7V～3.6V，它的信噪比SNR为62db（4.4995MHz时）。其封装形式为44引线TQFP封装，售价为10美元（1000只以上）。

当许多厂家正利用SAR结构和CMOS工艺制作低价位ADC时，Maxim和CirrusLogic公司却把基于△－∑结构的高分辨率转换器推向一个更低的价位。在几年前，16位和更高分辨率的△－∑ADC被划分为专用ADC类，价位很高，这种情况正在迅速改变，目前，这些公司的批量产品价格不到5美元。

其中，Maxim公司的主要产品之一的12位ADCMAX1457，主要用于压电式压力传感器、应变测量仪和加速计，MAX1457将前端信号调节电路和12位数字修正、串联EEPROM接口和一个运算放大器集成在同一块芯片上。这种设计简化了传感器输出信号的校正和纠错工作，它以最少的外部元件数提供精确的比例输出。这种器件可接受传感器5mV/V～30mV/V的输出。板上的串行接口与Micro－Wire接口是兼容的，直接连接到外部EEPROM，所有的校正和补偿系数都贮存在外部EEPROM中。

MAX1475将三种传统的传感器制造工艺结合在一种自动化工艺中，简化了传感器的开发和制造。MAX1475的自动校正和补偿工艺节约了设计者的时间和成本，使设计者第一次看到了传感器的真实性能。它采用28引线SOP和32引线TQFP封装。

CrystalSemi.公司利用先进的0.6μm工艺，成功地开发了价格并不昂贵的△－∑16位ADC——CS5529，可处理负的输入信号，有5V和±2.5V两种电源。在同一芯片上集成了6位输出锁存器，这种设置允许控制2个模拟器件和4个数字器件而不增加额外的隔离器件如开关、多路转换器和电压基准等。CS5529也使用了1个与SPI和Micro－Wire接口兼容的3线串联接口。CS5529的片上功能还包括自校正与系统校正电路、程控输出数据，功耗为2.5mW。它采用20引线DIP和SSOP封装，售价为3.80美元（1000只计）。表1是国外典型的高速A/D转换器的参数一览表。

表1高速A/D转换器的参数一览表

公司名称产品型号位数采样率/MSPS 输入带宽/MHz SNR/dB SINAD/dB SFDR/－dB
AD AD9070 10 100 230 55 54
AD9410 10 208 500 54
AD9042 12 41 100 68 67.5 90
AD9226 12 65 750 85
AD9432 12 80/105 500 67 80
AD9433 12 80/125 700 68 90
AD9240 14 10 TBD TBD TBD TBD
AD6644 14 40/65
Analogic ADC3120 14 20 80 75 90
ADC3121 14 20 80 70 81
Burr－Brown ADS820 10 20 65 58 58 67
ADS821 10 40 65 57 56 60
ADS824 10 70 59 70
ADS828 10 75 58
ADS802 12 10 65 65 63 67
ADS801 12 25 65 64 63 63
ADS800 12 40 65 61 59 65
ADS807 12 53 69 82
Comlinear CLC9528 12 48 200 63 75
Datel ADS－947 14 10 72 70
EdgeTech ET2473 14 20 60 78 75 83
ET2671 16 10 60 60 78 90
Exar XRD64 10 20 50 55 53
Harris HI5703 10 40 250 58 57 66
HI5766 10 60 250 53.7 51.7 58.1
HI5808 12 10 100 67.3 66.5 77
Maxim MAX1172 12 30 120 63 59 74
Philips TDA8766 10 20 60
TDA8762 10 80 40 56
Raytheon TMC1185 10 40 65 57 56 60
SPT SPT7861 10 40 250 56 54 64
SPT7922 10 30 120 63 60 74
注：SINAD－信噪比。

4.2数字通信应用的A/D转换器

10～15年前，A/D转换器主要应用于军事领域，现在，ADC已进入民用市场，广泛应用于数字通信。为了满足不断涌现的宽带软件发射机、数字调谐雷达和高速仪器的要求，AD公司最近推出了一款16位ADC－AD9260。该产品以超采样速率实现16位分辨率，并显著地减小了转换噪声，其动态范围为90db～100db，THD为－98db，SFDR为101db（100kHz时）。它是能提供1MHz尼奎斯特频率带宽和大于14位分辨率的单片ADC。

AD9260内部采用特殊的∑－△结构，它结合多位调制器和12位总线传送结构，构成了只有12位有效调制噪声的∑－△调制器。该电路只需8倍超频采样速率，就可把通带内的调制噪声抑制到16位水平。其内部的数字衰减滤波器也减少了对前端预偏置滤波器的需要。另外，该产品还可选择地对信号不进行或都进行2倍、4倍或全8倍的衰减提取。在采用8倍衰减滤波、时钟频率为200MHz时，可以提供1.25MHz尼奎斯特频率带宽。AD9260采用常规CMOS工艺制作，电源有＋3V或＋5V。在＋5V和最高采样率为20MHz时，功耗为585mW。

NationalSemi公司中的Comlinear分公司采用0.8μmBiCMOS工艺，并结合宽带SHA（采样和保持放大器）电路和独特的12位多级数字转换器，已生产出12位65MSPS宽带ADC——CLC5956，具有72dbSFDR、67dbSNR性能，其输入带宽为0～300MHz，可以把接收器的第一中频信号数字化，电路内部的宽带SHA放大器可使采样中频信号频率高达250MHz。该产品具有精密的模拟和混合信号处理能力，适用于蜂窝地面站和宽带数字接收器。

其它特点包括模拟信号差分输入、高度稳定的PECL时钟信号输入、带隙基准源和与TTL兼容的CMOS逻辑输出。CLC5956电源为＋5V，功耗为615mW。封装为48引线TSSOP封装，售价为2890美元（1000只以上）。

4.3宽带无线通信应用的A/D转换器

Burr－Brown公司将独特的宽带采样保持电路集成在流水线结构ADC的前面，实现了高性能的12位或者以上分辨率的A/D转换器，可满足日益增长的无线通信的需要。宽带线性SHA电路可降低谐波失真，减小纹波，保证了12位分辨率所需的67.5dbSNR。1.2GHz带宽使ADC能在尼奎斯特频率下获得非常精确的满刻度输入。

为了保证价格和尺寸具有竞争力，该类产品的制作采用了常规的0.6μmCMOS工艺。ADS807是具有12位分辨率、53MHz采样率、82db的SFDR，67.5db的SNR，0.5LSB的DNL的一种ADC。在±0.5LSBDNL的条件下，结合误差修正逻辑，可保证12位分辨率无漏码。该转换器具有内部基准源，并提供了一个外部参考输入。该产品为28引线SSOP封装，售价为23.95美元（1000只计）。

Harris公司采用多级全差分流水线设计并结合先进的BiCMOS工艺，已生产出超宽带14位A/D转换器——HI9505。该器件在有线和无线通信设备中直接进行中频信号数字化。HI9505采用差分输入、差分输出采样保持电路作为其输入级，从而保证HI9505具有100MHz的满功率输入带宽，当采样速率为5MSPS时，能保证在全带宽内实现14位精度。

HI9505采用内部参考源，减少了对外部参考电压的需求，但是，对必须用外部参考的，应用它也提供了一个选择。并且，Harris公司还建议在参考电压输入脚（VRIN）进行高频去耦，以减小整个转换器的噪声。HI9505采用BiCMOS工艺制作，具有70.4db的SINAD和－74db和THD（1MHz时）。

4.4音频领域应用的A/D转换器

CirrusLogic集团的CrystalSemi.公司和日本的Asahi化学工业有限公司的AKM分公司，努力开发新产品以满足音频应用需要。AKM公司采用两位△－∑结构和0.5μmCMOS工艺，已生产出具有116db的动态范围和105dbSINAD的14位立体声ADC——AK5392，其功耗为500mW。它采用多芯片结构，其封装形式为28引线SOP封装，售价为19.95美元（5000只以上）。

CrystalSemi公司从另外一个方向出发，把许多附加功能集成在ADC的周围以实现一个封装仅如单片IC大小的完整24位立体声音频系统。CS5396/97内部集成了一个△－∑调制器、一个数字滤波器、一个采样保持电路和一个电压基准源，构成了一个完整的24位立体声ADC系统，封装形式为28引线SOP。为实现120db的动态范围和105db的SINAD，CS5396/97采用了一个特殊的7级、3层△－∑调制器并进行数字滤波和衰减变换，它采用了两块芯片，其中一块为调制器，另一块为滤波器。△－∑调制器采用0.8μmCMOS工艺制作。由于芯片足够小，所以它们可以封装在如单片IC电路大小的封装内。

目前，Crystal公司正准备在今后的产品开发中采用7级、3层△－∑调制器结构和0.35μmCMOS工艺进行设计制作。

5国内A/D转换器的发展情况

我国从70年代开始研制A/D转换器和D/A转换器，起步不算晚，至今已研制出8位、10位、12位、14位、16位的ADC产品。典型的产品水平为8位ADC，转换时间为400ns，12位ADC的转换速率为20MSPS。

对比国内外ADC的产品可以看出，我们的产品种类和性能水平的差距都十分明显，我们应该在下面这几个方面努力〖9〗。

（1）根据国内的现实情况，应集中力量发展8～12位的A/D转换器。因为这一类转换器能满足大部分应用的需要。只有它们商品化后，才有可能向更高速、高分辨率的产品发展。

（2）聚集人才，建立自主的设计队伍。目前，我国有限的A/D转换器设计人才仍分散在各个研究所，很少交流，攻关多年，总体水平也没有得到长足的进步。而高等院校在培养研究生或在科研工作中

已经积累了许多经验，但尚未完全应用于商品化生产中。因此，应该把他们有效地结合在一起。共同开发A/D转换器的关键设计技术，并使A/D转换器商品化。

（3）突破关键的工艺技术。要在较短的时间内突破制造A/D转换器的关键工艺，如高速低功耗双极工艺、BiCMOS、CMOS、LC2MOS等工艺，同时应在已有的生产线上加工一些品种的A/D转换器，使8位、12位A/D转换器尽早商品化。

（4）建立A/D转换器的技术信息网，互通信息、交流技术，共同提高我国的A/D转换器的制造水平和应用水平。

6结束语

由于A/D转换器在军、民用电子系统中的应用越来越广泛，其市场需求越来越大，对转换器水平的要求也越来越高，其技术难度也越来越大。因此需要对A/D转换器的电路技术进行不断改进、创新，同时也应开发先进的工艺技术以满足制作不同应用要求的A/D转换器的需要。

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