几种模数转换技术的分析比较

    摘要：对几种最为常用的模数转换技术及其特点加以比较，着重介绍最新的模数转换技术——流水线技术；阐述其工作原理、性能特点及其优点，以助于读者更好地选择适合自己设计的模数转换器。

引言

模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。为了满足市场的需求，各芯片制造公司不断推出性能更加先进的新产品、新技术，令人目不暇接。本文就几种最为常用的模数转换技术进行分析比较。

1 模数转换技术

模数转换包括采样、保持、量化和编程四个过程。采样就是将一个连续变化的信号x(t)转换成时间上离散的采样信号x(n)。根据奈奎斯特采样定理，对于采样信号x(t)，如果采样频率fs大于或等于2fmax（fmax为x(t)最高频率成分），则可以无失真地重建恢复原始信号x（t）。实际上，由于模数转换器器件的非线性失真，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fs=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。实现这些过程的技术有很多，从早在上世纪70年代就出现的积分型到最新的流水线模数转换技术，种类繁多。由于原理的不同，决定了它们性能特点的差别。

1.1 积分型模数转换器

积分型模数转换器称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。典型的是双斜率转换器，我们就以其为例说明积分型模数转换器的工作原理。双斜率转换器包括两个主要部分：一部分电路采样并量化输入电压，产生一个时域间隔或脉冲序列，再由一个计数器将其转换为数字量输出，如图1所示。

    双斜率转换器由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大地数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反板性（负）参考电压。在这个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。

积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50Hz或60Hz）的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用有用（如热电偶输出的量化）。

1.2 逐次逼近型模数转换器

逐次逼近型转换器包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元，如图2所法。转换中的逐次逼近是按对分原理，由控制逻辑电路完成的。其大致过程如下：启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其它位置0，逐次逼近寄存器的这个内容经数模转换后得到约为满量程输出一半的电压值。这个电压值在比较器中与输入信号进行比较。比较器的输出反馈到数模转换器，并在下一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路的时钟驱动下，逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定，逐次逼近转换完成。

由于逐次逼近型模数转换器在1个时钟周期内只能完成1位转换。N位转换需要N个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。它的优点是原理简单，便于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。

1.3 闪烁型模数转换器

与一般模数转换器相比，闪烁型模数转换器速度是最快的。由于不用逐次比较，它对N位数据不是转换N次，而是只转换一次，所以速度大为提高。图3所示为N位闪烁型模数转换器的原理。转换器内有一定参考电压，模拟输入信号被同时加到2N-1个锁存比较器。每个比较器的参考电压由电阻网络构成的分压器引出，其参考电压比下一个比较器的参考电压高一个最低有效位。当模拟信号输入时，风参考电压比模拟信号低的那些比较器均输出高电平（逻辑1），反之输出低电平（逻辑0）。这样得到的数码称之为温度计码。该码被加到译码逻辑电路，然后送到二进制数据输出驱动器上的输出寄存器。

尽管闪烁型转换器具有极快的速度（最高1GHz的采样速率），但其分辨率受限于管芯尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所产生的功率消耗。结构重复的并行比较器之间还要求精密地匹配，因此任何失配都会造成静态误差，如使输入失调电压（或电流）增大。

闪烁型模数转换器还易产生离散的、不确定的输出，即所谓的“闪烁码”。闪烁码主要有两个来源：2N-1个比较器的亚稳态及温度计编码气泡；不匹配的比较器延迟会使逻辑1变为逻辑0（或反之），如同温度计中出现了一个气泡。由于模数转换器中的编码单元无法识别这种错误，经过编码后的输出同样会出现“闪烁”。

闪烁型模数转换器的另外一个考虑因素是管芯尺寸。一个8位闪烁型转换器比同等位数的流水线模数转换器要大将近7倍。如果与流水线结构作进一步的比较，闪烁型转换器的输入电容和功率消耗分别要高出6倍和2倍。

1.4 ∑-Δ型模数转换器

∑-Δ转换器又称为过采样转换器。这种转换器由∑-Δ调制器及连接及其后的数字滤波器构成，如图4所示。调制器的结构近似于双斜率模数转换器，包括1个积分器和1个比较器，以及含有1个1位数模转换器的反馈环。这个内置的数模转换器仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负参考电压。∑-Δ模数转换器还包括一个时钟单元，为调制和数字滤波器提供适当的定时。窄带信号送入∑-Δ模数转换器后被以非常低的分辨率（1位）进行量化，但采样频率却非常高。经过数字滤波处理后，这种过采样被降低到一个比较低的采样率；同时模数转换器的分辨率（即动态范围）被提高到16位或更高。

尽管∑-Δ模数转换器采样速率较低，且限于比较窄的输入带宽，但在模数转换器市场上仍占据了很重要的位置。它具有三个主要优势：

*低价格、高性能（高分辨率）；

*集成化的数字滤波；

*与DSP技术兼容，便于实现系统集成。

2 流水线模数转换器

从上面对几种常用模数转换器的介绍不难看出，它们都存在这样或那样的不足，而流水线结构（或称为子区式）的模数转换器是更为高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸（意味着低价格）；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。

    流水线模数转换器的功能框图如图5所示。这种结构的模数转换器采用多个低精度的闪烁型模数转换器采样信号进行分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，构成一个高精度的量化输出。每一级由采样/保持电路（T/H）、低分辨率模数转换器和数模转换器以及求和电路构成，求和电路还包括可提供增益的级间放大器。一个N位分辨率的流水线模数转换器完成一次采样的程序大致如下：

首级电路的采样/保持器地输入信号采样后先由一个M位分辨率的粗模数转换器对输入进行量化，接着用一个至少N位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模拟电平送至求和电路。求和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。经过L级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位精细模数转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A模数的输出组合起来构成高精度的N位输出。为了便于纠正重叠误差，流水线各级电路都留有冗余位，即满足：

L×M+K>N

其中，L为级数（制造商各有不同），M为各级中模数转换器电路的粗分辨率。K为精细模数转换器级的细分辨率，而N就是流水模数转换器的总分辨率。

流水线模数转换器中各级电路分别有自己的跟踪/保持电路，因此，当信号传递给次级电路后本级电路的跟踪/保持器就可释放出来处理下一次采样。这样就提高了整个电路的吞吐能力，一次采样可在一个时钟周期内完成。为了补偿不理想的边界效应，如温度漂移或乘积型数模转换器中电容的失配，部分流水模块转换器还配有校正单元。该单元通常用于流水线的多级（并非所有）电路中，利用两个校正码使乘积型数模转换器输出幅度等于VREF的跃变，任何与此跃变偏离的结果都会被测量到。各级转换器的误差被采集起来并存储到内部存储器中，正常工作时再将结果从RAM中取回并分别对流水线各环节的增益和乘积型数模转换器的电容失配进行补偿。

总之，流水线结构简化了模数转换器的设计，并具有以下优点：

*每一线的冗余位优化了重叠误差的纠正；

*每一级具有各自独立的采样/保持放大器，前一级电路的采/保可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理；

*更低的功率消耗；

*更高的采样速度，价格更低，所需设计时间更少，难度更小；

*很少有比较器进入亚稳态，从根本上消除了闪烁码温度计气泡。

但同时，流水线模数转换器也存在一些缺点：

*复杂基准电路和偏置结构；

*输入信号必须穿过数级电路，造成流水延迟；

*同步所有输出需要严格的锁存定时；

*对工艺缺隐较敏感，会影响增益非线性、失调及其它参数；

*与其它转换技术相比，对印制板布线更敏感。

但是，合理地设计多层印制板线能够克服上述许多不利因素，外部元件的选择和选用适当型号的流水线模数转换器（最好包括内部级间增益和误差失配校准）也能提高系统的性能。

结束语

模数转换技术的发展日新月异，流水线模数转换技术只是其中一能较为优异的。相信随着数字技术和微电子技术的迅速发展，一定会有更新、更好的模数转换技术出现。最后希望本文能对读者在选用适合的模数转换器时提供一定的参考。