AD/DA转换技术的发展历程及其趋势

引　言

随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现。本文着重介绍了当前几种常用的模拟/数字转换技术；并通过对数字技术发展近况的分析，探讨了模拟/数字转换技术未来的发展趋势。

A/D转换器的发展历史

计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。1970年代初，由于MOS工艺的精度还不够高，所以模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用MOS工艺，而且模拟部分和数字部分还不能做在同一个芯片上。因此，A/D转换器只能采用多芯片方式实现，成本很高。1975年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器成为最早出现的单片A/D转换器。

1976年，出现了分辨率为11位的单片CMOS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中，数字部分占主体，模拟部分只起次要作用；而且，此时的MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980年代，出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转换器，但是工艺复杂，成本高。随着CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺制作单片A/D转换器已成为主流。这种A/D转换器的成本低、功耗小。1990年代，便携式电子产品的普遍应用要求A/D转换器的功耗尽可能地低。当时的A/D转换器功耗为mW级，而现在已经可以降到μW级。A/D转换器的转换精度和速度也在不断提高，目前，A/D转换器的转换速度已达到数百MSPS，分辨率已经达到24位。

模拟/数字转换技术的发展现状

通常，A/D转换器具有三个基本功能:采样、量化和编码。如何实现这三个功能，决定了A/D转换器的电路结构和工作性能。A/D转换器的类型很多，下面介绍几种目前常用的模拟/数字转换技术。

全并行模拟/数字转换
全并行A/D转换器的结构如图1所示。它的工作原理非常简单，模拟输入信号同时与2^N-1个参考电压进行比较，只需一次转换就可以同时产生n位数字输出。它是迄今为止速度最快的A/D转换器，最高采样速率可以达到500MSPS。但是，它也存在很多不足。首先，硬件开销大，其功耗和面积与分辨率呈指数关系;其次，结构重复的并行比较器之间必须要精密匹配，任何失配都会造成静态误差。而且，这种A/D转换器还容易产生离散和不确定的输出，即所谓的"闪烁码"。所以，全并行A/D转换器只适用于分辨率较低的情况。

图1　N位全并行A/D转换器结构框图

减小全并行A/D转换器的输入电容和电阻网络的级数是提高其性能的关键。为了达到这一目的，采用了各种新技术，如将全并行结构与插值技术相结合，可降低功耗和面积，从而可使全并行A/D转换器进行更高精度的模拟/数字转换。Lane C.设计了一个10位60MSPS转换速率的全并行A/D转换器，通过运用插值技术，将比较器的数目从1023个减小到512个，大大节省了功耗和面积。

两步型模拟/数字转换
两步型A/D转换器的结构如图2所示。首先，由一个粗分全并行A/D转换器对输入进行高位转换，产生N₁位的高位数字输出，并将此输出通过数字/模拟转换，恢复为模拟量;然后，将原输入电压与此模拟量相减，对剩余量进行放大，再送到一个更精细的全并行模拟/数字转换器进行转换，产生N₂位的低位数字输出；最后，将这两个A/D转换器的输出并联，作为总的数字输出。

与全并行A/D转换器相比，此种类型的A/D转换器虽然转换速度降低了，但是节省了功耗和面积，解决了全并行A/D转换器中分辨率提高与元件数目剧增的矛盾。因此，两步型A/D转换器可用于10位以上的模拟/数字转换，但是，它对剩余量放大器的要求很高，剩余量必须被放大到充满第二个A/D转换器的输入模拟量范围，否则，会产生非线性和失码。另外，第一级A/D转换器和D/A转换器的建立时间及精度是限制两步型A/D转换器工作速度的一个重要因素，如果建立时间不充分，势必导致转换结果出现误差，所以，大多数两步型A/D转换器都采用了数字校正技术来改善这一问题。Razavi,B.和Wooley,B.A.采用校正技术研制的两步型A/D转换器，其第一级比较器的建立时间只需10ns，失调电压可达到5mV，转换速度高达5MSPS，分辨率为12位。

图2　两步型A/D转换器的结构框图

插值折叠型模拟/数字转换
折叠