AD/DA转换技术的发展历程及其趋势

Σ-Δ模拟/数字转换
Σ-Δ A/D转换器的结构如图6所示，它由Σ-Δ调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器，以及含有一个1位D/A转换器的反馈环，具有噪声整形功能，将量化噪声从基带内搬移到基带外的更高频段，从而提高了信噪比。而且，在进行Σ-Δ调制时，以远高于Nyquist采样率的频率对模拟信号进行采样，可减少基带范围内的噪声功率，使转换精度进一步提高。经调制器输出的是1位的高速Σ2Δ数字流，包含大量高频噪声，因此需要数字滤波器，滤除高频噪声，降低抽样频率。

图6　Σ2ΔA/D转换器结构框图

Σ-ΔA/D转换器是目前精度最高的A/D转换器。此外，它还具有极其优越的线性度、无需微调，以及更低的防混淆等优点。但是，过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率，从而限制了输入信号带宽;而且，随着过采样率的提高，功耗会大大增加。因此，在保证一定精度的前提下，尽可能地降低过采样率变得十分关键。目前普遍采用的方法主要有两种:多级噪声整形技术(MASH)，该技术采用多个级联的、稳定的一阶或二阶回路;另一种是多位结构的Σ-Δ A/D转换器，该结构含有一个n位并行A/D转换器和一个n位D/A转换器。为了获得更好的效果，通常将这两种方法结合使用。2001年，delRio,R.等人为ADSL应用设计的4阶Σ-Δ调制器采用2-1-1三级结构，其中最后一级含有4位量化器。该A/D转换器的过采样率仅为16，分辨率12位，采样率为4MSPS，功耗77mW。

另外，还有几种新技术被应用到Σ-Δ A/D转换器中，以提高其性能。带通Σ-Δ A/D转换器采用带通滤波器替代积分器，量化噪声被向上和向下移出有用频带，再由带通数字滤波器将有用频带外的其他信号和量化噪声滤除，从而直接对中频信号进行高精度转换。Schreier,R.等人采用0.35μm BiCMOS工艺制作的带通Σ-Δ A/D转换器，其带宽为333kHz，动态范围90dB，功耗为50mW，时钟频率高达32MHz。采用异质结工艺制作的连续时间Σ-Δ A/D转换器，其带宽比开关电容型Σ-Δ A/D转换器大得多，从而使Σ-Δ A/D转换器可用于射频领域。一个采用InPHBT工艺实现的二阶Σ-Δ调制器，其分辨率为12位，信号带宽为50MHz，采样率为3.2GHz。将多个Σ-Δ A/D转换器并联起来，对输入进行模拟预处理，对输出进行数字后处理，可获得与提高过采样比一样的效果，实现奈氏采样率的Σ-Δ A/D转换器(过采样比为1)，从而进一步提高输入信号带宽。奈氏采样率Σ-Δ A/D转换器，其并行通道数为8，输入信号带宽为160kHz。

A/D转换器的比较与分类

表1对各种A/D转换器的分辨率、转换速度和功耗等性能进行了比较。根据A/D转换器的速度和精度，大致可分为三类。
1)高速低(或中等)精度A/D转换器，具体的结构有全并行、两步型、插值折叠型和流水线型。此类A/D转换器速度快，但是精度不高，而且消耗的功耗大，占用的芯片面积也很大，主要用于视频处理、通信、高速数字测量仪器和雷达等领域。
2)中速中等精度A/D转换器。这一类型的A/D转换器是以速度来换取精度，如逐次逼近型A/D转换器。这一类A/D转换器的数据输出通常是串行的，它们的转换速度在几十kHz到几百kHz之间，精度也比高速A/D转换器高(10～16位)，主要用于传感器、自动控制、音频处理等领域。
3)中速或低速高精度A/D转换器。此类A/D转换器速度不快，但精度很高(16～24位)，如Σ-ΔA/D转换器。该类型A/D转换器主要用于音频、通信、地球物理测量、测试仪、自动控制等领域。

表1　各种A/D转换器的性能比较


模拟/数字转换技术的发展趋势

当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HDTV的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域，高级仪表的分辨率在不断提高，电流到达μA量级，电压到达mV甚至更低；在音频领域，各种高性能专业音频处理设备不断涌现，如DVD-Audio和超级音频CD(SACD)，它们能处理更高质量的音频信号。

为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展:高转换速度:现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。因此，向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

高精度：现代数字系统的分辨率在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在专业音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。目前，最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在，人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。

低功耗：片上系统(SOC)已经成为集成电路发展的趋势，在同一块芯片上既有模拟电路又有数字电路。为了完成复杂的系统功能，大系统中每个子模块的功耗应尽可能地低，因此，低功耗A/D转换器是必不可少的。在以往的设计中，5MSPS8～12位分辨率A/D转换器的典型功耗为100～150mW。这远不能满足片上系统的发展要求，所以，低功耗将是A/D转换器一个必然的发展趋势。

总之，各种技术和工艺的相互渗透，扬长避短，开发出适合各种应用场合，能满足不同需求的A/D转换器，将是模拟/数字转换技术的未来发展趋势;高速、高精度、低功耗A/D转换器将是今后数据转换器发展的重点。