剖析：ADC設(shè)計全接觸

我們處在一個數(shù)字時代，而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個模擬世界。如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起，正是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)大顯身手之處。任何一個信號鏈系統(tǒng)，都需要傳感器來探測來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號。這些傳感器探測到的信號量被送到放大器中進(jìn)行放大，然后通過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過處理器、DSP或FPGA信號處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號。所以ADC和DAC在信號鏈的框架中起著橋梁的作用，即模擬世界與數(shù)字世界的一個接口。

新的應(yīng)用需求不斷推動模擬技術(shù)的發(fā)展：性能越來越高，集成度不斷提高。ADC產(chǎn)品作為模擬IC的重要成員，在符合上述發(fā)展的趨勢下，還存在自身的特點……

當(dāng)看到那小小的騎車機(jī)器人“村田頑童”可以前進(jìn)、倒退、爬坡并且停而不倒時，你是否知道其中使用了多種傳感器以檢測各個方向的傾斜角度和探測道路狀況；當(dāng) 你驚嘆殘疾人可以自如地控制假肢完成復(fù)雜動作時，你是否知道與假肢相連的探測器可以檢測人體肌肉的最細(xì)微運動從而實現(xiàn)對假肢的控制；也許你并沒有留意到用 手機(jī)通話時顯示屏?xí)詣雨P(guān)閉以便降低功耗，這是手機(jī)檢測到顯示屏被物體（例如耳朵）遮住時的操作……所有這些都表明：用戶體驗推動半導(dǎo)體和技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn) 步，并在同時對模擬IC的性能提出更高要求。

ADC的性能極限隨著采樣速率有一定改變

同時，電子器件的集成度越來越高，例如AD9271在單一芯片上集成了一個完整的8通道超聲接收器，其中的一個通道就包含低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和12位 ADC。

雖 然集成是大趨勢，但是還需要考慮成本，客戶需要，技術(shù)要求，工藝發(fā)展等諸多因素。ADI大中國區(qū)資深業(yè)務(wù)經(jīng)理周文勝說，“當(dāng)性能指標(biāo)要求特別高時，采用集 成的方案并不明智；市場上需要什么樣的芯片，芯片供應(yīng)商就應(yīng)該為實現(xiàn)這個系統(tǒng)去做一些相應(yīng)的設(shè)計，ADI的‘智能分割’概念就是強(qiáng)調(diào)哪些功能模塊應(yīng)該集 成，哪些功能模塊要分開放，最終使設(shè)計達(dá)到最符合客戶的要求，也符合技術(shù)要求。把所有的芯片集成在一起，當(dāng)工藝都一樣時，整體 BOM可以降低；但當(dāng)各芯片工藝不一樣時，如果硬要把它們集成在一起可能會造成整個BOM上升。”

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 作為模擬IC的一種，也同樣順應(yīng)上述模擬IC的發(fā)展趨勢，但是它還遵循自身發(fā)展的規(guī)律。從最初的11位分辨率、50 kSps采樣速率和500 W功耗的SAR型ADC到現(xiàn)在的16位分辨率、1MSps采樣速率并且僅7 mW功耗的ADC AD7980， ADC的性能已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。現(xiàn)有ADC存在7種結(jié)構(gòu)：falsh, half-flash, folding, SAR, pipelined, sigma-delta和未知結(jié)構(gòu)。其中piplined和未知結(jié)構(gòu)具有最佳的整體性能，所以它們非常適合例如無線收發(fā)器應(yīng)用和軍用等高性能要求的應(yīng)用；SAR ADC具有最寬的采樣速率，雖然它不是最快的，但由于低成本和低功耗使其很受歡迎。Sigma-delta ADC具有最高的分辨率，但是采樣速度較低，從kSps到MSps；而flash ADC由于其并行結(jié)構(gòu)具有最高采樣速率可達(dá)GSps，但是由于非線性使其分辨率限制在8位以內(nèi)。

在 進(jìn)行ADC性能比較時通常使用品質(zhì)因數(shù)：P=2B×fs和F=(2B×fs)/Pdiss，其中B是SNR比特數(shù)，fs是采樣速率；Pdiss是功耗。文 獻(xiàn)1認(rèn)為，在開發(fā)高功率效率的ADC設(shè)計上取得了顯著進(jìn)步，但是，ADC的分辨率和速度的乘積P在1993年~1999年的6年中幾乎沒有進(jìn)步。文獻(xiàn) [2]針對4家主要IC制造商(ADI, Maxim, NS和TI)的ADC產(chǎn)品的3個通用性能指標(biāo)(采樣速率、分辨率和功耗)分析后認(rèn)為：上述P并不是恒定的，而是在低采樣速率下部分P有一些改善；在高采樣 速率下部分P有一定降低(見圖1)。

Sigma- delta和flash轉(zhuǎn)換器是上述7中結(jié)構(gòu)中僅有的F隨時間降低的兩種結(jié)構(gòu)。這兩種ADC針對特定要求，只有較窄的應(yīng)用范圍，它們都需要犧牲更多的功耗 用于實現(xiàn)更高性能，這導(dǎo)致了F的降低。余下的SAR, pipelined等5種結(jié)構(gòu)滿足速度和分辨率的中等應(yīng)用要求，因而能獲得更高的F。二十多年來，ADC技術(shù)的發(fā)展一直被新應(yīng)用推動，從而促進(jìn)P的增加。 雖然UWB，OFDM和雷達(dá)系統(tǒng)等應(yīng)用推動ADC性能極限發(fā)展，ADC設(shè)計的主要挑戰(zhàn)已經(jīng)從性能擴(kuò)展轉(zhuǎn)向降低功耗，這一挑戰(zhàn)在移動通信和SDR應(yīng)用中尤為 突出。

ADI專家：寬帶ADC前端設(shè)計注意事項