简单认识模/数转换器

模/数转换器（ Analog-to- Digital Converter， ADC，也简写成A/D、AD 或A-to-D)是将模拟信号转换为数字信号的集成电路。ADC 按转换方法可分为并行结构 ADC (Flash ADC)、多步转换结构 ADC (Multi-Step ADC)、逐次逼近型ADC (Successive Approximation Register, SAR ADC)、流水线型 ADC (Pipelined ADC)、积分一微分型 ADC (Sigma-Delta ADC，Σ-△ ADC)、混合结构型 ADC(Hybrid ADC)、时间交织型 ADC (Time-Interleaved ADC)。 并行 ADC结构主要适用于1~8位 ADC。 SAR ADC 结构主要适用于 5~10 位 ADC。 流水线型ADC结构主要适用于 8~16位 ADC。积分一微分型 ADC 结构主要适用于 16~32位 ADC。混合结构型 ADC 主要适用于功率和速度折中优化场合。时间交织型 ADC 是由多个单通道 ADC 构成的，按照分时采样、并行转换实现采样速率的倍频，主要适用于高速场合。

ADC 主要性能包括分辨率（单位为位，即bit）、采样速率（单位为Sampling Per Second, SPs)和功耗（Power)。分辨率越高、采样速度越快，其功耗一般也会越大。目前4~6位 ADC 可以实现上百 GSPS 的采样速率，而最高分辨率的 32 位 ADC 仅能实现 38kSPS 的采样速率。

从 ADC 的发展历史来看，早期的 ADC 采用 SAR 型架构，工艺有双极工艺和CMOS 工艺，工艺特征尺寸较大，分辨率一般为 6~12位，采样速率为 kSPS数量级。1978年 ADI 公司（模拟器件公司）的Paul Brokaw 基于双极工艺、采用薄膜电阻设计制造了第一块单片集成电路 ADC 产品 AD571，转换精度为 10位、采样速率为 25kSPS、功耗为 180mW。随着工艺进入亚微米、深亚微米时代，ADC 采样速率进入百 MSPS，结构上多采用流水线型，如 2001 年前后 ADI公司采用0.35μm CMOS 工艺研制的 AD9235产品，分辨率为 12 位，采样速率为65MSPS，功耗为 300mW。LT公司2009年前后用0.35μm CMOS 工艺研制LTC2204、LTC2207、LTC2208、LTC2209 系列产品，采样率最高为 160MSPS,分辨率为16位，功耗为 1.45W。

ADC 技术在2012 年后发展速度加快，出现众多高性能 ADC 产品，这些产品的特点是采用先进 CMOS 工艺，采样速率成倍上升，单位采样功耗成倍下降。例如，ADI公司的 AD9625 型 12 位2.5GSPS ADC 和 AD9680 型 14 位 1.25GSPS ADC，以及美国德州仪器公司（TI）的 ADC54J60 型 16位 1GSPS ADC，均采用65nm CMOS 工艺，在不增加功耗的情况下，速度较之前的产品有5倍以上的提升。2016年文献报道的美国博通公司 ADC IP ( Intellectual Property)功耗显著低于单芯片形态的 ADC。ADI 公司在 2017 年的国际固态电路会议 (ISSCC)上发布了12 位 10GSPS ADC， 由此中等精度 ADC 进入10GSPS 时代，为下一代高速移动通信提供了器件支撑。

ADC 技术朝着高精度、高转换速率、低功耗、单电源、低电压等方向发展，主要措施是采用先进的 CMOS 工艺、时间交织采样和越来越多的数字辅助校正技术来提升性能。随着集成电路技术的发展，低功耗、高采样速率的 ADC IP 将越来越多。目前 ADC 产品广泛应用于工业控制、仪器仪表、通信、汽车电子、航空航天、医疗电子、消费电子等领域。

审核编辑：汤梓红