数据转换系统如何选择ADC架构

电子发烧友网报道（文/李宁远）模拟数字转换器ADC连接着现实模拟世界与电子系统，是芯片产业皇冠上的明珠。ADC将真实世界产生的模拟信号，如温度、压力、声音、指纹或者图像等转换成更容易处理的数字形式，和DAC一起构建起真实世界与数字世界的桥梁，是模拟芯片中难度最高的那一部分。
 
从消费电子到通信行业，从汽车领域到工业领域，从军事到航空航天，只要涉及模拟信号转为数字信号的地方都需要ADC的支持。
 
将ADC细分来看可以大致分为两个方向，高精度与高速是两个发展的极端。ADC的两个最重要的指标速度和精度，存在着相互制约的关系。当然，信噪比、通道间串扰、增益温漂等指标也是衡量一个ADC好坏的重要参数。
 
目前应用较多的ADC集中在SAR逐次逼近、Delta Sigma过采样以及Pipeline流水线型ADC三种类型上。SAR是目前应用很广泛的一个结构，这得益于它的性价比很高，能在相对低成本范围内实现不错的转换性能，被誉为通用混合信号电路的支柱。采用这种结构，ADC的性能变化范围很大，分辨率可以覆盖到20bits以下的各种分辨率，转换速率可以从1KSPS覆盖到5MSPS。
 
SAR ADC各方面能力都处于中等水平，除了性价比上的优势，其采样延迟也很短，一般对于循环时间必须保持高度可预测性的控制系统最合适的架构选择就是SAR。SAR ADC依靠其性价比优势在很多领域都有应用，比较常见的就是在电机控制里和数字电源里用一个SAR采样保持单元去把一个连续信号进行数字转化。
 
SAR ADC设计中双极技术、CMOS技术和BIMOS技术都有应用，分别对应不同的电路设计。SAR ADC结构有一个不同于其他ADC结构的特点，就是其ADC的线性度依赖于数模转化器的线性度。在精密DAC的配合下，SAR ADC能有很宽的工作温度范围。
 
而Delta Sigma是近些年使用最为普遍的高精度ADC结构，在精度达到20bits以上的ADC里是必选结构。在转换速率上Delta Sigma ADC也能覆盖很广的范围，从100SPS到10MSPS都可以实现。除了高分辨率，此结构还有很高的稳定性。一般来说，Delta Sigma ADC都是高度集成的，可以取代数据采集系统中的多个组件。不过与其他架构相比，Delta Sigma ADC架构有一个劣势在于会出现周期延迟。
 
Delta Sigma ADC通过OSR过采样技术对采样分辨率和速率进行调整，整体来看工艺要求不算很高，应用领域很广，尤其是在消费类传感器应用里，高精度的传感很青睐采用过采样结构。往高端测量应用领域发展这种高精度ADC的价格就很昂贵了，而且属于禁运标准。
 
Pipeline流水线型ADC主打一个高速的ADC采样，分辨率则不会太高，在8-12bits，是高速数据转换系统中的常客。流水线型ADC广泛用于无线基站、高速仪表和高速频谱分析应用中。
 
在需要更高速的转换中，闪存ADC能提供目前最快的速率。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。一般这种超高速ADC已经不考虑消费类这种民用市场，只应用在高端测量领域。
 
受超高速限制，闪存ADC在分辨率上基本上目前都是8位的，8位的成本已经很高。而闪存ADC分辨率每高一位，其设计复杂程度以及成本都会呈指数增加。现在国际巨头厂商也有10位的闪存ADC，价格更高，而且这种超高速ADC基本都在禁运标准里。
 
随着5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴应用的崛起，高精高速数据转换系统愈发常见。在高精高速数据转换系统中，放大器、DAC、ADC这些都是必不可少的，ADC作为信号链核心，其重要性不言而喻。不同结构的分辨率、速度、复杂度对ADC的设计影响很大，高精高速数据转换系统选择何种ADC是能否实现系统最佳性能的关键。