高速A/D转换器的选择

模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。

A/D转换器的选择是至关重要的。所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口，这一点很重要。　

目前的高速A/D转换器已被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。对用户而言，所有这些应用都有着相似的要求，即以较低的价格实现更高的性能。



在选择高速A/D转换器时，设计师必须考虑下面几个因素：

● 终端系统的要求

● 成本

● 分辨率或精度

● 速度  

● 性能

对终端系统要求的清晰了解将简化A/D转换器的选择过程。在某些场合，它可以把所需考虑的选择参数限制为屈指可数的几个。例如，很多超声波应用采用的是每个通道需要一个A/D的数字光束成形系统。对于一个具有多达256个通道的系统而言，具有多通道和低功耗的A/D转换器是一个合适的选择。

对于8进制A/D转换器来说，超声波应用是主要的终端应用。位于A/D之后的DSP或ASIC所使用的电源电压也是必需加以考虑的。越来越多的高速A/D将采用3V、2.5V和1.8V的工作电源。价格是始终需要考虑的因素。如今的转换器设计师正在制作性价比更为优越的A/D。

速度与分辨率的关系

目前的高速A/D最初是按速度和分辨率进行分类的。转换器的速度是指A/D能够进行转换的取样速率或每秒的取样数量。对于高速A/D来说，速度以百万取样每秒(Msps)为计量单位。

分辨率是指转换器能够复制的位数精度：分辨率越高，则结果越精确。分辨率以位来计量。目前市场上的高速A/D的分辨率为8～16位，速度为2～4Gsps。速度和分辨率始终是一对矛盾。分辨率的增加通常会导致可实现速度的降低。

如今的A/D设计师拥有更快的处理方法和更多的架构以便从中选择有助于解决速度和分辨率这一对矛盾的转换器：目前已有16位 20 Msps、10位 300 Msps和8位 1Gsps的A/D。高速A/D的常用架构有闪存型（flash）、半闪存型（semi-flash）、SAR型和流水线型四种。

SAR型 A/D通常具有10～16位的分辨率。SAR的架构基于一个比较器。若要获得n位的分辨率，逐次逼近转换器就必须执行n次比较器操作，并把每一次的结果都存储在寄存器中。一个12位转换器需要12个时钟周期来完成一次转换。这种转换器的优点是硅片尺寸小、功耗低且精度高。缺点是取样速度慢，输入带宽低。

闪存型A/D的分辨率被限制为8位。闪存型A/D的架构基于比较器组，总共有2n-1个比较器。一个8位A/D需要256个比较器。闪存型A/D可并行执行多个转换，因此能达到非常高的速度。闪存型A/D的优点是高输入带宽和非常高的速度（达到1～4Gsps）。缺点是功耗大、输入电容大且分辨率低。

流水线型A/D可提供12～16位分辨率。流水线型A/D由无数个连续的级组成，每一级都包括一个跟踪/保持（T/H）电路、一个低分辨率A/D和 D/A以及一个包含用于提供增益的级间放大器的加法电路。流水线型A/D的优点在于功耗低，取样速率能达到100～300Msps。缺点是这种A/D要求 50%的占空因数以及最小的时钟频率。

一旦确定了合适的速度/分辨率组合，设计师仍然能够从市场上的几百种A/D中选出最合适的一个。对终端应用更为深入的了解将揭示对附加性能的要求。用于评定A/D的最常用性能参数如下：

● 信噪比（SNR）

● 信号与噪声加失真之和之比（SINAD）

● 无寄生动态范围（SFDR）

● 差分线性误差（DNL或DLE）

● 积分线性误差（INL或ILE）

● 有效位数（ENOB）

● 增益误差

● 功耗

医学成像应用

通常要求取样速率高于40Msps的10～12位A/D。高端应用可能要求更高的分辨率：14～16位。A/D的性能对于图像质量是至关重要的。对于DBF超声波应用而言，其目标是以最小的功耗和最低的成本提供最佳的图像质量。

ENOB是用于评价图像质量的一个关键参数。对于一个10位转换器而言，ENOB越接近10，图像的再现质量越好。关注的频率通常在10～20MHz之间。观察A/D的ENOB与频率的关系曲线（见图1），理想的情况是曲线在所关注的带宽内保持平坦。



如果未提供曲线，则可根据SINAD与频率的关系曲线以及下面的公式推导出ENOB与频率的关系：6.02n + 1.76 = SINAD，这里，n代表ENOB。例如：图1中的曲线示出了一个10位A/D（SPT7883）的SINAD性能。在10和20MHz条件下计算出的 SINAD值分别为60dB和59dB。解出方程中的n值，即可得出10MHz和20MHz时的ENOB分别为9.67和9.5。

仪表应用

数据采集应用需要取样速率高于20Msps的14～16位A/D。一般而言，仪表应用采用了品种更加繁多的数据转换器。转换器的选择对终端应用的依存程度很高。

例如，取样示波器对电压输入进行取样并绘出一幅输出波形。在这种情况下，8～10位的分辨率便足够了，但是需要更高的速度（＞20Msps），以便能以更快的速度进行取样。为精确地显示电压，精度、偏移增益和线性度也是关键因素。