關于ADC的分類

模數轉換器 (ADC) 的幾種主要類型

A/D 轉換器發展了 30 多年，經曆了多次的技術革新，從并行、逐次逼近型、積分型 ADC，到近年來新發展起來的∑-Δ型和流水線型 ADC， 它們各有其優缺點， 能滿足不同的應用場合的使用。

逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應用于中速或較低速、中等精度的資料采集和智能儀器中。分級型和流水線型 ADC 主要應用于高速情況下的瞬态信号處理、速波形存儲與記錄、高速資料采集、視訊信号量化及高速數字通訊技術等領域。此外，采用脈動型和折疊型等結構的高速 ADC，可應用于廣播衛星中的基帶解調等方面。∑-Δ型 ADC 主應用于高精度資料采集特别是數字音響系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域。下面對各種類型的 ADC 作簡要介紹。

1．逐次逼近型

逐次逼近型ADC 是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括 1 個比較器、1 個數模轉換器、1 個逐次逼近寄存器（SAR）和 1 個邏輯控制單元。它是将采樣輸入信号與已知電壓不斷進行比較，1 個時鐘周期完成 1 位轉換，N 位轉換需要 N 個時鐘周期，轉換完成，輸出二進制數。這一類型 ADC 的分辨率和采樣速率是互相沖突的，分辨率低時采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會受到限制。

優點：分辨率低于 12 位時，價格較低，采樣速率可達 1MSPS；與其它 ADC 相比，功耗相當低。

缺點：在高于 14 位分辨率情況下，價格較高；傳感器産生的信号在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。

2．積分型 ADC

積分型 ADC 又稱為雙斜率或多斜率 ADC，它的應用也比較廣泛。它由 1 個帶有輸入切換開關的模拟積分器、1 個比較器和 1 個計數單元構成，通過兩次積分将輸入的模拟電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。 與此同時，在此時間間隔内利用計數器對時鐘脈沖進行計數，進而實作A/D 轉換。積分型 ADC 兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來确定，是以所得到的 D 表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度隻取決于參考電壓 VR。此外 ，由于輸入端采用了積分器， 是以對交流噪聲的幹擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻幹擾 （如 50Hz 或 60Hz） ， 适合在嘈雜的工業環境中使用 。這類 ADC 主要應用于低速、精密測量等領域，如數字電壓表。

優點：分辨率高，可達 22 位；功耗低、成本低。

缺點：轉換速率低，轉換速率在12 位時為100～300SPS。

3．并行比較 A/D 轉換器

并行比較 ADC 主要特點是速度快，它是所有的 A/D 轉換器中速度最快的，現代發展的高速ADC 大多采用這種結構， 采樣速率能達到 1GSPS 以上。 但受到功率和體積的限制，并行比較 ADC 的分辨率難以做的很高。這種結構的ADC 所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉換時間的影響較小，但随着分辨率的提高， 需要高密度的模拟設計以實作轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。并行比較 ADC 的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重複的并聯比較器如果精度不比對，還會造成靜态誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時 ，這一類型的ADC 由于比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會産生離散的、不精确的輸出，即所謂的“火花碼”。

優點：模/數轉換速度最高。

缺點：分辨率不高，功耗大，成本高。

4．壓頻變換型ADC

壓頻變換型ADC 是間接型 ADC， 它先将輸入模拟信号的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信号，然後在固定的時間間隔内對此脈沖信号進行計數，計數結果即為正比于輸入模拟電壓信号的數字量。從理論上講，這種 ADC 的分辨率可以無限增加，隻要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數的寬度即可。

優點：精度高、價格較低、功耗較低。

缺點：類似于積分型 ADC，其轉換速率受到限制，12 位時為 100～300SPS。

5．∑ - Δ型 ADC

∑ - Δ轉換器又稱為過采樣轉換器，它采用增量編碼方式即根據前一量值與後一量值的內插補點的大小來進行量化編碼。 ∑-Δ型 ADC 包括模拟∑-Δ調制器和數字抽取濾波器。∑-Δ調制器主要完成信号抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即 ∑-Δ碼；數字抽取濾波器完成對∑ - Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高分辨率的線性脈沖編碼調制的數字信号。 是以抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。

優點：分辨率較高，高達 24 位；轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型 ADC ；價格低；内部利用高倍頻過采樣技術，實作了數字濾波，降低了對傳感器信号進行濾波的要求。

缺點：高速∑ - △型 ADC 的價格較高；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型 ADC 的功耗高。

6．流水線型 ADC

流水線結構ADC，又稱為子區式 ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數轉換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的晶片尺寸；經過合理的設計，還可以提供優異的動态特性。流水線型 ADC 由若幹級級聯電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的 ADC 和 DAC 以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精确的 n 位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成 。首級電路的采樣/保持器對輸入信号取樣後先由一個m 位分辨率粗 A/D 轉換器對輸入進行量化，接着用一個至少 n 位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）産生一個對應于量化結果的模/拟電平并送至求和電路，求和電路從輸入信号中扣除此模拟電平。并将內插補點精确放大某一固定增益後關交下一級電路處理。經過各級這樣的處理後，最後由一個較高精度的 K 位細 A/D 轉換器對殘餘信号進行轉換。将上述級粗、細A/D 的輸出組合起來即構成高精度的 n 位輸出。

優點：有良好的線性和低失調；可以同時對多個采樣進行處理，有較高的信号處理速度，典型的為Tconv<100ns；低功率；高精度；高分辨率；可以簡化電路。

缺點：基準電路和偏置結構過于複雜；輸入信号需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲；對鎖存定時的要求嚴格；對電路工藝要求很高，電路闆上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它參數。

目前，這種新型的 ADC 結構主要應用于對 THD 和 SFDR 及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、帶寬和瞬态相應速度等時域特性要求較高的 CCD 成像系統，對時域和頻域參數都要求較高的資料采集系統。