終于搞懂模擬電路中的ADC！1

一、基本介紹

ADC（Analog to digital converter）、DAC（Digital toanalog converter）為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，本質(zhì)上是信號鏈芯片（模擬芯片按照功能可以分為信號鏈芯片和電源管理芯片兩類）中的一種。ADC是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，DAC 相反。其中ADC 在兩者的總需求中占比接近80%。ADC 和DAC 屬于模擬芯片中難度最高的一部分，被稱為模擬電路皇冠上的掌上明珠。

ADC的原理：通過采樣-保持-量化以及編碼電路，將輸入的連續(xù)波形的模擬信號變換成間斷的數(shù)字型號。

圖片來源：百度

通常情況下A/D轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過采樣-保持（S/H：Sampling & Holding）、量化、以及編碼4個過程。

1.采樣

采樣是將連續(xù)變化的模擬波形通過與采樣脈沖串（或者周期方波信號）做卷積運(yùn)算，將連續(xù)變化的量變成時間離散的模擬量，如下圖所示。

S(t)是采樣傳輸控制信號，脈寬為τ，脈沖周期為Ts。在脈寬時間τ內(nèi)控制信號導(dǎo)通，采樣輸出端口有輸出信號Vo(t)；在Ts-τ的時間內(nèi)，控制信號關(guān)閉，采樣輸出端口無信號輸出。各個周期脈沖對應(yīng)采樣輸出后的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

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當(dāng)S(t)的脈沖頻率越高，采樣時間間隔越小，信號保留越多，得到的信號波形越接近原始波形。根據(jù)奈奎斯特定理，S(t)對應(yīng)的采樣頻率fs與輸入信號的最高頻率分量fmax之間必須滿足fs≥2fmax，才能將原始信號的信息保留下來。工程上為了能夠滿足實(shí)際使用，一般都采用fs≥（3-5）fmax。

2.保持

上面提到的采樣是通過脈沖串實(shí)現(xiàn)的，得到的輸出結(jié)果在時間上是隔離的，實(shí)際過程中采樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需經(jīng)過一定的時間，這是為了為后面的量化編碼體提供一個穩(wěn)定值。所以每次取得的模擬信號都必須要通過一個保持電路，保持一段時間。實(shí)際上采樣和保持的過程是通過采樣-保持電路同時完成的。

在t=t0，控制電路閉合，電容充電，此時v0=vi。在t0-t1時間內(nèi)采樣，t=t1斷開，電容放電，采樣輸出保持平穩(wěn)，最后得到的波形如上圖所示。這個過程就是保持階段。

3.量化

通過采樣得到的數(shù)字信號在幅度上面是不連續(xù)的，量化就是將抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，用一組規(guī)定的電平把瞬時抽樣值用最接近的電平值表示。簡單來說就是把輸入信號幅度連續(xù)變化的范圍分為有限個不重疊的子區(qū)間，每個子區(qū)間用對應(yīng)的一個確定數(shù)值表示，其內(nèi)的輸入信號就以該數(shù)值輸出，從而將連續(xù)輸入信號變?yōu)橛邢迋€離散值電平的近似信號。

4. 編碼

編碼就是將量化過后的電壓幅值用對應(yīng)的二進(jìn)制碼對應(yīng)進(jìn)行表示。

5.名詞解釋

分辨率；

分辨率，簡單來說就是對應(yīng)了ADC中的位數(shù)。表征了能夠?qū)⒁粋€信號進(jìn)行最小量化的尺度，位數(shù)越多表示這個ADC的分辨率越高，對于信號的描述就越準(zhǔn)確。如下圖所示一個16bit和3bit對信號進(jìn)行量化表征的細(xì)節(jié)程度相差很大。位數(shù)越高，對信號的量化越準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)換的精度越高。

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2)采樣率；

采樣率，Sample PerSecond，SPS，每秒取得的樣本數(shù)量。代表了ADC的采樣速度，當(dāng)采樣率越高，就代表ADC的速率越高。

3)射頻采樣；

射頻采樣就是將ADC直接用在射頻信號中。傳統(tǒng)的采樣是需要將輸入信號通過一個下變頻器件，將信號頻率降低到一個較低的中頻頻率之后再做AD變換。射頻采樣是不需要將信號經(jīng)過下變頻，而直接對輸入的射頻信號進(jìn)行AD變化，其在信號鏈路中的位置如下所示。

圖片來源：ADI官網(wǎng)

采樣率和分辨率是兩個相互矛盾的指標(biāo)，當(dāng)位數(shù)越高，需要采集、比較的數(shù)越多，相應(yīng)的ADC芯片的架構(gòu)越復(fù)雜，比較器越多，運(yùn)行的時間越長，速度越慢。

二、ADC分類

ADC按照工作原理可以大致分為兩大類：

直接轉(zhuǎn)換型ADC：將輸入電壓信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，不需要經(jīng)過中間任何變量；
間接轉(zhuǎn)換型ADC：將輸入電壓信號轉(zhuǎn)變成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再將這個中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出；

按照采樣定理的原理可以分為兩種：

奈奎斯特采樣ADC：采樣率=2信號最高頻率；
過采樣ADC：采樣率＞2信號最高頻率；

按照不同的精度和采樣速率可以分為Δ-Σ 、SAR、Flash、Folding & Interpolation、Pipeline等不同種類。這幾種不同的ADC之間精度和速率的關(guān)系如下圖所示：

圖片來源：髙速低功耗逐次逼近式ADC研究與實(shí)現(xiàn)

1.Flash

Flash是一種高速的ADC架構(gòu)，是目前成熟的采樣速率最高的ADC架構(gòu)。其架構(gòu)如下圖所示。

圖片來源：高精度Σ-Δ ADC設(shè)計(jì)

從它的結(jié)構(gòu)中可以得到，輸入電壓Vin與參考電壓Vref是分別同時接入到不同的輸入端口進(jìn)行對比，也就是輸入信號是被多個端口并行處理，執(zhí)行一次運(yùn)算只需要一個時鐘周期。

也正是因?yàn)槠洳⑿羞\(yùn)算的架構(gòu)使得其無法做到很高的分辨率（既高位數(shù)）。上圖顯示的是一個3位，用到了7個比較器。一個N位的ADC采用Flash架構(gòu)，需要2的N次方-1個比較器，因此增加一位，就需要增加2的N次方個比較器。這也是導(dǎo)致Flash無法做到太高精度的主要原因，精度越高、架構(gòu)越復(fù)雜、芯片面積越大。

另外，比較器對于輸入電壓都是并聯(lián)的，呈現(xiàn)十分大的輸入電容，需要用很大的功率來驅(qū)動這一類ADC，對于功率、功耗等方面也受限制。

目前Flash最高可用位數(shù)為8bit，高于8bit之后就需要采用其他架構(gòu)。8bit的Flash ADC速率可以達(dá)到1GS/s，6bit的ADC可以達(dá)到12GS/s。

Flash ADC除了可以作為單片使用，還經(jīng)常在Pipeline ADC、Δ-Σ ADC、SAR ADC中作為子ADC使用。

2. Folding & Interpolation

Folding & Interpolation，折疊內(nèi)插式ADC，其核心思想是劃區(qū)、分段再組合。

劃區(qū)：將輸入型號進(jìn)行折疊劃區(qū)，如下圖所示，輸入信號被劃分為四個區(qū)域，然后分別對不同區(qū)段進(jìn)行量化。