高速A/D轉換器的選擇

　　模數(shù)轉換器是連接模擬和數(shù)字世界的一個重要接口。A/D轉換器將現(xiàn)實世界的模擬信號變換成數(shù)字位流以進行處理、傳輸及其他操作。　　

　　A/D轉換器的選擇是至關重要的。所選擇的A/D轉換器應能確保模擬信號在數(shù)字位流中被準確地表示，并提供一個具有任何必需的數(shù)字信號處理功能的平滑接口，這一點很重要。　　　

　　目前的高速A/D轉換器已被應用于各種儀表、成像以及通信領域中。對用戶而言，所有這些應用都有著相似的要求，即以較低的價格實現(xiàn)更高的性能。

　　在選擇高速A/D轉換器時，設計師必須考慮下面幾個因素：　　

　　● 終端系統(tǒng)的要求　　

　　● 成本　　

　　● 分辨率或精度　　

　　● 速度 　　

　　● 性能　　

　　對終端系統(tǒng)要求的清晰了解將簡化A/D轉換器的選擇過程。在某些場合，它可以把所需考慮的選擇參數(shù)限制為屈指可數(shù)的幾個。例如，很多超聲波應用采用的是每個通道需要一個A/D的數(shù)字光束成形系統(tǒng)。對于一個具有多達256個通道的系統(tǒng)而言，具有多通道和低功耗的A/D轉換器是一個合適的選擇。

　　對于8進制A/D轉換器來說，超聲波應用是主要的終端應用。位于A/D之后的DSP或ASIC所使用的電源電壓也是必需加以考慮的。越來越多的高速A/D將采用3V、2.5V和1.8V的工作電源。價格是始終需要考慮的因素。如今的轉換器設計師正在制作性價比更為優(yōu)越的A/D。

速度與分辨率的關系　　

　　目前的高速A/D最初是按速度和分辨率進行分類的。轉換器的速度是指A/D能夠進行轉換的取樣速率或每秒的取樣數(shù)量。對于高速A/D來說，速度以百萬取樣每秒(Msps)為計量單位。

　　分辨率是指轉換器能夠復制的位數(shù)精度：分辨率越高，則結果越精確。分辨率以位來計量。目前市場上的高速A/D的分辨率為8～16位，速度為2～4Gsps。速度和分辨率始終是一對矛盾。分辨率的增加通常會導致可實現(xiàn)速度的降低。

　　如今的A/D設計師擁有更快的處理方法和更多的架構以便從中選擇有助于解決速度和分辨率這一對矛盾的轉換器：目前已有16位 20 Msps、10位 300 Msps和8位 1Gsps的A/D。高速A/D的常用架構有閃存型（flash）、半閃存型（semi-flash）、SAR型和流水線型四種。

　　SAR型 A/D通常具有10～16位的分辨率。SAR的架構基于一個比較器。若要獲得n位的分辨率，逐次逼近轉換器就必須執(zhí)行n次比較器操作，并把每一次的結果都存儲在寄存器中。一個12位轉換器需要12個時鐘周期來完成一次轉換。這種轉換器的優(yōu)點是硅片尺寸小、功耗低且精度高。缺點是取樣速度慢，輸入帶寬低。

　　閃存型A/D的分辨率被限制為8位。閃存型A/D的架構基于比較器組，總共有2n-1個比較器。一個8位A/D需要256個比較器。閃存型A/D可并行執(zhí)行多個轉換，因此能達到非常高的速度。閃存型A/D的優(yōu)點是高輸入帶寬和非常高的速度（達到1～4Gsps）。缺點是功耗大、輸入電容大且分辨率低。

　　流水線型A/D可提供12～16位分辨率。流水線型A/D由無數(shù)個連續(xù)的級組成，每一級都包括一個跟蹤/保持（T/H）電路、一個低分辨率A/D和 D/A以及一個包含用于提供增益的級間放大器的加法電路。流水線型A/D的優(yōu)點在于功耗低，取樣速率能達到100～300Msps。缺點是這種A/D要求 50%的占空因數(shù)以及最小的時鐘頻率。

　　一旦確定了合適的速度/分辨率組合，設計師仍然能夠從市場上的幾百種A/D中選出最合適的一個。對終端應用更為深入的了解將揭示對附加性能的要求。用于評定A/D的最常用性能參數(shù)如下：

　　● 信噪比（SNR）

　　● 信號與噪聲加失真之和之比（SINAD）

　　● 無寄生動態(tài)范圍（SFDR）

　　● 差分線性誤差（DNL或DLE）

　　● 積分線性誤差（INL或ILE）

　　● 有效位數(shù)（ENOB）

　　● 增益誤差

　　● 功耗

　　醫(yī)學成像應用

　　通常要求取樣速率高于40Msps的10～12位A/D。高端應用可能要求更高的分辨率：14～16位。A/D的性能對于圖像質量是至關重要的。對于DBF超聲波應用而言，其目標是以最小的功耗和最低的成本提供最佳的圖像質量。

　　ENOB是用于評價圖像質量的一個關鍵參數(shù)。對于一個10位轉換器而言，ENOB越接近10，圖像的再現(xiàn)質量越好。關注的頻率通常在10～20MHz之間。觀察A/D的ENOB與頻率的關系曲線（見圖1），理想的情況是曲線在所關注的帶寬內(nèi)保持平坦。

　　如果未提供曲線，則可根據(jù)SINAD與頻率的關系曲線以及下面的公式推導出ENOB與頻率的關系：6.02n + 1.76 = SINAD，這里，n代表ENOB。例如：圖1中的曲線示出了一個10位A/D（SPT7883）的SINAD性能。在10和20MHz條件下計算出的 SINAD值分別為60dB和59dB。解出方程中的n值，即可得出10MHz和20MHz時的ENOB分別為9.67和9.5。

　　儀表應用

　　數(shù)據(jù)采集應用需要取樣速率高于20Msps的14～16位A/D。一般而言，儀表應用采用了品種更加繁多的數(shù)據(jù)轉換器。轉換器的選擇對終端應用的依存程度很高。

　　例如，取樣示波器對電壓輸入進行取樣并繪出一幅輸出波形。在這種情況下，8～10位的分辨率便足夠了，但是需要更高的速度（＞20Msps），以便能以更快的速度進行取樣。為精確地顯示電壓，精度、偏移增益和線性度也是關鍵因素。

　　通信應用　　

　　通信應用需要取樣速率高于80Msps的12～14位A/D。A/D對復雜的波形進行數(shù)字化，這樣，利用一個DSP或ADIC就能執(zhí)行解調操作。通常采用兩個A/D對正交信號進行取樣，以抽取用于處理的I和Q信號分量。

　　在基帶取樣應用中，轉換器的動態(tài)性能并不重要，這是因為被抽樣的是低頻和帶限信號。由于信號分量是直流，因此諸如增益和偏移等技術參數(shù)是重要的。例如，如果基帶轉換器具有較大的直流偏差，這將表現(xiàn)為直接疊加在有用信號上的未調制載波。如果信號足夠大，它將完全阻斷所需的載波。

　　A/D的 INL和DNL性能也會限制接收機的性能。通常情況下，DNL被認為是產(chǎn)生A/D量化噪聲的根源之一。但是，在很小的信號電平（位于或接近接收機的基準信號靈敏度）下，DNL誤差會在A/D中導致視在增益誤差，從而引發(fā)高達6dB的誤差。基帶A/D可以是低成本、低功耗和低取樣速率的器件。

　　在IF取樣應用中，所有的RF信號都被轉換成較低的頻率以便于檢波。大多數(shù)2G、2.5G和3G應用的IF頻率均介于150～250MHz之間。A/D必須具有較快的時鐘速率和非常寬的輸入帶寬。

　　SNR和SFDR也是至關重要的規(guī)格。WCDMA應用采用一個多載波平臺以同時對幾百個信號進行數(shù)字化。重要的是轉換器不能產(chǎn)生干擾有用信號的寄生信號。這些寄生信號可能表現(xiàn)為諧波或交調分量，它們將導致接收機性能的劣化。