ADC研究背景意义现状及发展趋势.pdf

ADC研究背景意义现状及发展趋势 1 研究背景.1 2 研究现状和发展趋势.2 向高性能方向发展.4 向单电源、低电压、低功耗方向发展.4 向单片化方向发展.4 单 CMOS工艺.4 向混合信号处理芯片方向发展.4 3 研究的研究意义.5 1 研究背景 随着现代科学技术的迅猛发展,集成电路技术得到了快速的发展，数字信号处理技术越来越成熟，我们现在可以使用强大、灵活而可靠的数字信号处理(DSP)器来对模拟信号的数字形式进行处理，因此，数字系统已广泛应用于各种学科领域及我们的日常生活中。数字信号近年来的飞速发展显示了对数字信号的处理相对于直接对模拟信号进行处理有极大的优势。数字信号比模拟信号易于处理，主要是由于以下几个原因：数字信号准确性高；数字信号易于保存在媒介上而同时很少产生失真和丧失完整性；数字信号序列便于传输，而且对于复杂的信号处理，数字电路更易于实现，而用模拟电路往往很难甚至无法实现；数字电路一般比模拟电路价格低廉，特别是大规模集成电路工艺的发展使数字处理的速度越来越高，集成的功能越来越多，实现成本越来越低。我们处在一个数字时代，各种数字系统都只能对输入的数字信号进行处理,其输出信号也是数字信号，但我们的视觉、听觉、感觉、嗅觉等所感知的却是一个模拟世界。如何将数字世界与模拟世界联系在一起，正是模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)大显身手之处。任何一个信号链系统，都需要传感器来探测来自模拟世界的电压、电流、温度、压力等信号。这些传感器探测到的信号量被送到放大器中进行放大，然后通过 ADC把模拟信号转化为数字信号，经过处理器、DSP 或 FPGA信号处理后，再经由 DAC还原为模拟信号。所以 ADC和 DAC在信号链的框架中起着桥梁的作用，即模拟世界与数字世界的一个接口。图 1 是信号链系统框图。图 1 信号链系统框图 一个信号链系统主要由传感器、模数转换器、信号处理与控制系统、数模转换器组成。模拟数字转换（ADC）是将模拟信号转换为数字信号，数字模拟转换（DAC）是将数字信号转换为模拟信号。简单来讲，ADC是模拟输入，数字输出；而 DAC则是反过来，数字输入，模拟输出。A/D 与 D/A 通常在模拟世界（真实世界）与数字世界（机器世界）间担当桥梁的角色。通常，对给定的速度和转换精度，模数转换比数模转换需要更高的功耗和电路复杂性，因此，模数转换电路常表现为高性能混合信号系统的瓶颈。2 研究现状和发展趋势 电子式模数转换和数模转换电路的发展历史最早可追溯到第二次世界大战末期。当时信息论学科正在崛起，它使得数字通信技术得到迅速发展。理论和实践都证明，数字通信是一种可靠、经济、保密和方便的通讯方法。显然，要实现数字通信，首先必须要在发射端将所要传送的声音、图片等连续变换的模拟量转换成相应的分离的数字量发送出去；在接收端，还必须将所接收的数字量还原成声音、图片等模拟量。为此，人们开始研制和发展了模拟数字转换和数字模拟转换电路。随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术、微电子技术的发展，电子技术的应用已经逐渐渗透到军事和民用领域的各个角落，先进的电子系统不断推出。在现代先进的电子系统前端和后端都要用到数据转换器，以改善数字处理系统的性能。它在现代军、民用信息系统中均显示了其重要地位，特别是诸如雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能控制器与传动器，以及包括无线电话和基站接收机在内的现代数字通信系统应用对高速、高分辨率模数转换器的需求不断增加。在 ADC的研究、设计和制造等领域，国外起步较早，发展速度较快，发展全面。而国内起步较晚，发展速度较慢，主要集中在低端产品领域。在业内，国外的公司的产品几乎占领了整个高端市场。AD、TI等国外大公司纷纷推出速度更快、分辨率更高的产品。如 TI 公司推出的 ADS550 系列，是一种单通道 12 位和 14 位 80、105、125MSPS ADC，可应用于无线通讯、测试和测量仪表、通信仪表、雷达、视频和成像、医疗设备等领域。具有非常低的功耗(660mW-780mW)，单电源 3.3V、数据就绪输出时钟、内部基准。在 100MHz条件下，其信噪比(SNR)为 69dB 到 72dB，无杂波动态范围(SFDR)达到 82dB85dB，输入带宽为 750MHz，支持高输入频率以满足欠采样应用的要求。它采用64 引脚 HTQFP封装。ADI 公司 2006 年 3 月推出的 AD9230，采样精度达到 12 比特，适用于宽带通信和无线基础设施等应用领域，其采样速率为 250MSPS，与同类产品相比，其功率降低了 40%以上，封装尺寸减少了 20%，同时保证了高中频条件下优良的信噪比(65.5dB)和 SFDR(82dB)。此外还有诸如 Maxim、Philips、SPT 等国外公司生产的包括增益累加()型、SAR 型、流水线型等高性能 ADC。我国从 70 年代开始研制 A/D 转换器，也有一些专门从事 ADC研究的高校研究所，但技术和资金都不能和美日等发达国家同日而语。我国 ADC研究方面的技术发展取得了一定的进展，但能进入市场批量提供给用户的产品却不多。这是由于长期以来，外国的先进产品不断涌入我国，并在一定程度上占领了我国市场，我国自己研制的能进入市场批量提供给用户的 ADC产品自然就少了。近年来，我国低分辨率、低速度的 ADC研究已经有一定的成就，至今己经研制出了8 位、10 位、12 位和 16 位的 ADC产品，主要集中在中低端产品上，性能与国外 ADC相比远远达不到高端应用的要求。因此高速高精度 ADC已经成为国内高校和研究所研究的热点。计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而,在实际应用中,遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D 转换器正是基于这种要求应运而生的，下面我们来回顾一下 ADC的发展历史。1970 年代初，由于 MOS工艺的精度还不够高,所以模拟部分一般采用双极工艺,而数字部分则采用 MOS工艺，而且模拟部分和数字部分还不能做在同一个芯片上。因此,A/D 转换器只能采用多芯片方式实现,成本很高。1975 年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D 转换器成为最早出现的单片A/D 转换器。1976年，出现了分辨率为 11 位的单片 CMOS积分型 A/D 转换器。此时的单片集成A/D 转换器中,数字部分占主体,模拟部分只起次要作用;而且,此时的 MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980 年代,出现了采用 BiCMOS工艺制作的单片集成 A/D 转换器，但是工艺复杂，成本高。随着 CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺制作单片 A/D 转换器已成为主流。这种 A/D 转换器的成本低、功耗小。1990 年代,便携式电子产品的普遍应用要求 A/D 转换器的功耗尽可能地低。当时的 A/D 转换器功耗为 mW级，而现在已经可以降到 W 级。A/D 转换器的转换精度和速度也在不断提高，目前，A/D 转换器的转换速度已达到数百 MSPS，分辨率已经达到 24 位。从 ADC的发展历史中，我们可以发现，目前，ADC的发展趋势主要为向高分辨率、高转换速率、低功耗、单电源、低电压、单片化、单 CMOS工艺型方向发展。向高性能方向发展 高性能是指高精度和高转换速率。通过采用-调制技术，在同样的工艺条件下，可以让 ADC的精度达到 16 位24 位。采用流水线式结构的 ADC既可以达到高的精度(9位14 位)，又可达到很高的转换速度(5MHz200MHz)，如 ADI公司在 2006 年 2 月份推出的 CMOS 0.18 m 工艺的流水线式 ADC：AD9984，它能达到 180MHz的转换速率和 12 位的精度。Flash型单片 ADC也在向更高转换速率方向发展。通过采用激光修正技术、自校正技术和统计匹配技术，数据转换电路的分辨率和精度得到了进一步的提高。向单电源、低电压、低功耗方向发展 采用 CMOS、BicMOS等先进工艺，在低工作电压(1.2V、1.8V)及电源休眠工作方式(S1eep Mode)下，既可使转换器电路获得高分辨率、高精度和高转换速率，又可达到低功耗(mW量级)，缓解了一直存在的精度、速度和功耗之间的矛盾，同时，也适应了便携式仪器的需要。向单片化方向发展 随着半导体工艺水平的不断提高，LSI、VLSI 工艺的成熟，过去要采用模块、混合电路生产的高性能转换电路逐渐被单片产品所代替，从而降低了芯片的成本和功耗，减小了体积，提高了可靠性。单 CMOS工艺 尝试从复杂、昂贵的专业工艺转向主流的 CMOS工艺，同一种工艺同时生产 AD 和相关的数字电路。向混合信号处理芯片方向发展 由于 VLSI 技术的成熟，数字信号处理器(DSP)及其它标准数字器件(如微控制器 EPROM等)与高分辨率 ADC、DAC可集成于同一芯片上，构成混合信号处理器(MSP)，可同时处理模拟、数字信号，增强了芯片功能，减少芯片外围电路，简化了电路，应用更加方便。总之，各种技术和工艺的相互渗透，扬长避短，开发出适合各种应用场合，能满足不同需求的 A/D 转换器，将是模拟/数字转换技术的未来发展趋势；高速、高精度、低功耗 A/D 转换器将是今后数据转换器发展的重点。3 研究的研究意义 模数转换和数模转换是混合信号处理系统中的关键部分。随着半导体技术的连续发展和器件技术尺寸的持续缩小，数字电路部分的速度越来越快，这样，在这个 SOC 技术已经越来越普及的时代，就要求模拟电路部分的性能能够紧跟上这种发展趋势，而这也就直接影响到模数转换电路和数模转换电路向着高速、高精度的方向发展。特别是 ADC电路，由于对给定的精度和转换速度，模数转换比数模转换需要更高的功耗和电路复杂性，因此往往模数转换电路性能好坏在混合信号系统中起到更为关键的影响。实际上，模数转换电路已经逐渐成为高性能混合信号系统的瓶颈。目前 A/D 转换器主要的研究方向大多着重在有效位及速度上的提升，这样才可以处理更快且更复杂的模拟信号，但在某些实际应用的场合，如通信网络或是磁盘驱动器读取通道(Disk-Drive Read-Channel)的应用中，A/D 转换器的分辨率要求不高，其设计的重点在于要求超高的转换速度和较低的功率消耗，并且采用 CMOS的制造工艺来设计，以降低生产成本及提高电路的整合能力。在这些应用中，一般的高速 ADC已经不能满足其速度要求了，而是要求 ADC能够达到上 GHz 的超高速采样速度，对于 ADC的精度，则不是最关心的问题。目前低分辨率的 A/D 转换器电路大部分是利用 CMOS的方式来设计，这样可轻易地与其它不同的电路集成在同一芯片上，也可以降低制造成本及增加可靠度。在超高速 ADC的设计上，目前仍然是以 Flash型 ADC为主，因为 Flash型ADC是目前所有 ADC结构中可以达到最快采样速率的一种。但全并行结构的AD 转换器受面积和功耗的限制，精度不能太高，这恰好满足某些应用场合低分辨率高转换速率的性能要求。