高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的ADC差異

高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在設(shè)計(jì)中有很多和一般數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中相似的問題，需要可靠的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。從基礎(chǔ)上來說，兩者并無二致，但受限于芯片的限制，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中更能窺見前沿的動態(tài)性能發(fā)展。在一個高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，放大器、DAC、ADC這些都是必不可少的。市面上，現(xiàn)在有兩種常見的ADC出現(xiàn)在此類應(yīng)用中，分別是全并行ADC和逐次逼近ADC。

這兩種常見的高速ADC結(jié)構(gòu)，每一種都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，每一種結(jié)構(gòu)在精確度、動態(tài)性能、成本等出多方面都有不小的差異。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中如何選擇合適結(jié)構(gòu)的ADC是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳性能的關(guān)鍵。

最快速的轉(zhuǎn)換選擇

我們是在高速這個條件下來看這些ADC，在所有高速轉(zhuǎn)換器件中，最簡單最快的就是全并行ADC。這么判斷的很重要的一點(diǎn)原因在于全并行ADC進(jìn)行的轉(zhuǎn)換只進(jìn)行在單一方向上，這也是為什么將其命名為全并行。全并行ADC對于高接受度接收器性能來說，速度快而且穩(wěn)定性好，但它可能具有高輸入電容，并且需要設(shè)計(jì)到系統(tǒng)的數(shù)字部分的高速接口。

全并行ADC的分辨率每高一位，其設(shè)計(jì)復(fù)雜程度以及成本都會大大增加。首先，全并行ADC內(nèi)部的比較器數(shù)量需要加倍，這意味著全并行ADC中的大部分面積都需要翻倍，而且功耗也隨著比較器增多而增大也是必然的。這還沒算上解碼器、驅(qū)動的相關(guān)考量，總的來看，分辨率每增加一位，尺寸、功耗、輸入電容均為大幅增長，這一點(diǎn)在全并行ADC上尤為明顯。

有一些技術(shù)可以在全并行ADC設(shè)計(jì)上減少尺寸和功耗。折疊技術(shù)允許在ADC的動態(tài)范圍內(nèi)重復(fù)使用一組比較器兩次，減少了比較器的數(shù)量從而節(jié)省系統(tǒng)面積降低功耗。而插值技術(shù)是采用相鄰比較器之間的平均值來減少前置放大器的數(shù)量，降低ADC的輸入電容。但不論哪一種減小尺寸需求降低功耗的技術(shù)，都有一定的缺點(diǎn)，即便是CMOS雙極技術(shù)也會存在補(bǔ)償偏高的問題。

動態(tài)性能影響全并行ADC能否獲得準(zhǔn)確的數(shù)字化高頻信號，窗口延遲變形和輸入帶寬形象甚大。全并行ADC的輸入帶寬是由一個小信號和大信號構(gòu)成（有些情況大信號帶寬由輸入回轉(zhuǎn)率決定）。當(dāng)全并行ADC輸入電容很高時，為了達(dá)到高帶寬需要驅(qū)動的譯碼器阻抗要盡可能低，低阻源可以通過運(yùn)放或緩沖器來提供。另一個限制全并行ADC動態(tài)高頻性能的是窗口時間，這個是由比較器來決定的。

在全并行ADC位數(shù)和性能之間尋找平衡點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)全并行ADC最小尺寸和功耗起著關(guān)鍵作用。

逐次逼近ADC的全面發(fā)展

逐次逼近ADC之所以這么流行，性價(jià)比高肯定是其中一個原因。其結(jié)構(gòu)很直觀，能實(shí)現(xiàn)的性能變化很大，分辨率可以從8位變化到16位，轉(zhuǎn)換速率可以從400ns變化到25μs，其簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在廠商會將數(shù)字校正添加到傳統(tǒng)的逐次逼近算法中，前八位只轉(zhuǎn)換至8位的精度，然后轉(zhuǎn)換器進(jìn)入保持狀態(tài)將轉(zhuǎn)換校正至12位精度。這種有校正功能的轉(zhuǎn)換器相比于傳統(tǒng)的逐次逼近型ADC會前八位工作于高采樣率。

（逐次逼近ADC，TI）

逐次逼近ADC的結(jié)構(gòu)有一個不同于其他ADC結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其ADC的線性度依賴于數(shù)模轉(zhuǎn)化器的線性度。精密DAC的發(fā)展相當(dāng)程度上給逐次逼近ADC帶來了不少好處，較為明顯的就是逐次逼近ADC相對于其他結(jié)構(gòu)更寬的溫度范圍。而且轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)換輸出能減小系統(tǒng)模擬和數(shù)字之間影響。對于一個理想的DAC來講，每個與數(shù)據(jù)位相對應(yīng)的電容應(yīng)該精確到下一個較小電容的兩倍。比較器則需要具有足夠的速度和精度，盡管比較器的失調(diào)電壓不影響整體的線性度，它會給系統(tǒng)傳輸特性曲線帶來一個偏差。

與全并行ADC相比，逐次逼近的速度肯定是沒法和其相比較，但如果是需要提高分辨率的應(yīng)用，逐次逼近型只需要更精確的元件即可，而且其分辨率提高的同時設(shè)計(jì)復(fù)雜度不會像全并行ADC那樣幾何增長。逐次逼近結(jié)構(gòu)的主要局限還是在于對于高速轉(zhuǎn)換來說采樣速率較低，并且其中的各個單元（DAC和比較器）需要達(dá)到與整體系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木取?br />
小結(jié)

在高速轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，如何選擇合適的ADC是至關(guān)重要的，通常需要折中考慮全并行ADC的速度以及逐次逼近型DAC的低功耗和小尺寸特性。