AD選型指南--精選文檔

1、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24研究所A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在模擬集成電路世界占有非常重要的地位，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，完成模擬與數(shù)字相互轉(zhuǎn)換。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成能進(jìn)行數(shù)字處理的二進(jìn)制代碼的模擬集成電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，即Analog to digital converter（簡(jiǎn)稱ADC），A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)為模擬信號(hào)，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，輸入類(lèi)型有單端輸入和差分輸入，輸出類(lèi)型有并行輸出和串行輸出，輸出數(shù)字信號(hào)電平模式有CMOS、TTL、ECL和LVDS。將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的集成電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，即Digital to analog converter（簡(jiǎn)稱DAC），輸入信號(hào)為數(shù)

2、字信號(hào)，輸出為模擬信號(hào)，輸入類(lèi)型有并行輸入、串行輸入和分段輸入，輸出類(lèi)型有電流輸出和電壓輸出。6選擇合適的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用好所選擇的產(chǎn)品，關(guān)系到系統(tǒng)整體性能，下面將從系統(tǒng)選擇和使用A/D、D/A轉(zhuǎn)換器以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的特性等幾方面進(jìn)行闡述。一、系統(tǒng)中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的選擇考慮的因素根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，選擇具體A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品可因人而異，但是，大體可遵循以下原則：終端系統(tǒng)的要求根據(jù)對(duì)終端系統(tǒng)的要求分析，確定整體系統(tǒng)分解到A/D、D/A模塊的主要指標(biāo)，提出需要的產(chǎn)品精度（即位數(shù)或分辨率）和速度（即A/D：轉(zhuǎn)換率/轉(zhuǎn)換時(shí)間，D/A：轉(zhuǎn)化速率/建立時(shí)間）。成本考慮成本與

3、產(chǎn)品性能的取舍方案，確定可接受的成本范圍。分辨率或精度根據(jù)分辨率或精度劃分A/D、D/A轉(zhuǎn)換器一般有：4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位、18位、20位、22位、24位等。速度 對(duì)于選擇低速A/D轉(zhuǎn)換器，則確定系統(tǒng)容許的轉(zhuǎn)換時(shí)間，對(duì)于選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器，則確定系統(tǒng)容許的采樣頻率和模擬輸入信號(hào)頻率。對(duì)于選擇低速D / A轉(zhuǎn)換器，則確定系統(tǒng)容許的建立時(shí)間，對(duì)于選擇高速D/A轉(zhuǎn)換器，則確定系統(tǒng)容許的工作頻率和模擬輸出信號(hào)頻率。性能在確定以上因素后進(jìn)行產(chǎn)品的具體選擇時(shí)，應(yīng)主要考慮如下表所示的電性能參數(shù)，根據(jù)具體系統(tǒng)確定滿足要求的產(chǎn)品。低速A/D高速A/D低速D/A高速D/A線性誤差線性

4、誤差線性誤差線性誤差微分誤差微分誤差微分誤差微分誤差電源電流電源電流電源電流電源電流功 耗功 耗功 耗功 耗轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換率建立時(shí)間最高工作頻率失調(diào)誤差失調(diào)誤差失調(diào)誤差輸出建立時(shí)間增益誤差增益誤差增益誤差失調(diào)誤差信 噪 比增益誤差信噪失真比信 噪 比無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍信噪失真比總諧波失真無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍二次諧波總諧波失真三次諧波二次諧波三次諧波二、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的合理應(yīng)用 對(duì)于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器模擬集成電路，即使選擇合適的產(chǎn)品或高性能產(chǎn)品，如果使用不當(dāng)，將會(huì)影響A/D、D/A轉(zhuǎn)換器性能的發(fā)揮，達(dá)不到預(yù)期效果，甚至帶來(lái)可靠性問(wèn)題。為此，下面將給出A/D、D/A轉(zhuǎn)換器合理應(yīng)用的基本要求。、A/D、

5、D/A轉(zhuǎn)換器的供電進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意將A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)，各自所對(duì)應(yīng)的地線也要分開(kāi)，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開(kāi)，減少模擬與數(shù)字之間的相互串?dāng)_，并對(duì)電源進(jìn)行良好的濾波。印刷電路板布線時(shí)最好將模擬電源、數(shù)字電源、模擬地、數(shù)字地、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行合理分層設(shè)計(jì)。、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的濾波A/D、D/A轉(zhuǎn)換器是數(shù)模混合集成電路，由于電路內(nèi)部有寄生電容的存在，在電路工作時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)字對(duì)模擬電源、模擬地和基準(zhǔn)電源的影響，因此，必須在模擬電源、數(shù)字電源和基準(zhǔn)電源進(jìn)行電容濾波處理。、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的散熱對(duì)于功耗較大的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器正常工作時(shí)，在各種應(yīng)用中都有必要限制

6、這種“自身發(fā)熱”，使A/D、D/A轉(zhuǎn)換器工作溫度不超過(guò)指定的最大值。一般對(duì)功耗較大的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器采取附加散熱片方式實(shí)現(xiàn)散熱的目的：散熱片的用途是增大散熱面積，以便將A/D、D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中，這會(huì)降低熱阻。當(dāng)使用散熱片時(shí)，將散熱片在空氣中垂直排列會(huì)產(chǎn)生最好的效果。如果散熱片不是暴露在空氣中，熱量轉(zhuǎn)移將受到一定的影響。對(duì)于功耗上級(jí)的產(chǎn)品，條件容許下可采取提供氣流方式實(shí)現(xiàn)散熱的目的：氣流對(duì)于改進(jìn)散熱片狀況及減少熱阻，是一種有效的方法。氣流可加快冷卻，應(yīng)用中可使用風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)。氣流可降低熱阻，而不用加散熱片。在某些應(yīng)用場(chǎng)合沒(méi)有氣流，但加裝風(fēng)扇也不是最佳選擇。因?yàn)轱L(fēng)扇會(huì)增加系統(tǒng)

7、整體體積，影響系統(tǒng)的平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF），并產(chǎn)生噪聲。、高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換器版圖布線基本原則對(duì)于高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，其版圖布線需要高速電路設(shè)計(jì)技巧，如果遵循以下基本原則，可確保高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的發(fā)揮。所有的旁路電容盡可能靠近器件安裝，最好和ADC（DAC）在同一層面，采用表面貼器裝元件使引線最短，減少寄生電感和電容。模擬電源、數(shù)字電源、基準(zhǔn)電源和輸入公共端采用兩個(gè)0.1µf的陶瓷電容和一個(gè)2.2µf雙極性電容并聯(lián)對(duì)地旁路。采用具有獨(dú)立的地平面和電源平面的多層電路板，保證信號(hào)的完整性。采用獨(dú)立的接地平面時(shí)應(yīng)考慮ADC（DAC）模擬地

8、和數(shù)字地的物理位置。兩個(gè)地平面之間的阻抗要盡可能低，二者間的交流和直流電壓低于0.3V以避免器件的損壞和死鎖。模擬地與數(shù)字地應(yīng)單點(diǎn)連接，避免充滿噪聲的數(shù)字地電流對(duì)模擬地的干擾，理想接點(diǎn)的位置可以沿著兩個(gè)地平面通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)效果。模擬地與數(shù)字地間的連接可以用低阻值表貼電阻（150）、鐵氧體磁珠或直接短路。如果模擬地與數(shù)字地分隔離時(shí)，也可以選擇將所有的接地引腳置于同一平面。高速數(shù)字信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬信號(hào)線。所有的信號(hào)線應(yīng)盡可能短，而且無(wú)90拐角。時(shí)鐘輸入要作為模擬信號(hào)處理，遠(yuǎn)離任何模擬輸入（輸出）和數(shù)字信號(hào)。、其他注意事項(xiàng)在產(chǎn)品傳遞、使用過(guò)程中應(yīng)有防靜電措施，在傳遞中采用防靜電薄膜包裝。在使

9、用過(guò)程中，調(diào)試儀器、系統(tǒng)地要接大地良好，調(diào)試操作人要帶防靜電腕帶、試驗(yàn)設(shè)備接大地良好等防靜電保護(hù)措施。使用過(guò)程中模擬輸入電壓和數(shù)字輸入電壓不能超過(guò)工作的電源電壓，否則，容易發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。使用過(guò)程中電源電壓不能超過(guò)規(guī)定的絕對(duì)最大額定值，否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓擊穿失效。不用的控制或數(shù)字端最好接一大電阻到地（10100），以免靜電對(duì)電路的影響。使用過(guò)程中盡量避免掉電現(xiàn)象發(fā)生，電路的加電順序?yàn)槟M地、數(shù)字地、負(fù)電源、正電源控制信號(hào)、參考電源、數(shù)據(jù)信號(hào)，電路的斷電順序?yàn)閿?shù)據(jù)信號(hào)、參考電源、控制信號(hào)、正電源、負(fù)電源、數(shù)字地、模擬地。三. A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)定義微分誤差(Differential Non

10、linearity,DNL，DL)微分誤差定義ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換碼寬與理想碼寬的相對(duì)偏差（DAC相臨的兩個(gè)輸入數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的輸出模擬信號(hào)的相對(duì)偏差）。DL 用VLSB表示ADC（或DAC）碼寬理想的幅度，Vn表示實(shí)際上的碼寬幅度，則微分誤差又可以表示為：DL0圖實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線對(duì)比線性誤差(Integrated Nonlinearity,INL，)線性誤差定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換點(diǎn)之差，通常要取每個(gè)轉(zhuǎn)換碼寬的中點(diǎn)與理想轉(zhuǎn)換曲線之差。所謂的理想轉(zhuǎn)換曲線有兩種定義，可以是輸出轉(zhuǎn)換點(diǎn)的最佳擬合直線，也可以是修正偏置誤差和增益誤差后的直線，第二種定義由于在計(jì)算上很方便所以實(shí)際更常用。兩者分

11、析結(jié)果有差別，實(shí)際上線性誤差為微分誤差的積分。 圖2不同擬合法差別失調(diào)誤差 (Offset Error，)當(dāng)輸入電壓為零時(shí)所產(chǎn)生的誤差為零點(diǎn)誤差Ez，即在實(shí)際轉(zhuǎn)換直線中，ADC器件持續(xù)保持為零輸出的最大輸入電壓V1對(duì)應(yīng)于理想零點(diǎn)輸入電壓V2之間的誤差為ADC的失調(diào)誤差（當(dāng)輸入數(shù)碼為全零時(shí)所產(chǎn)生的誤差為零點(diǎn)誤差Ez，即在實(shí)際轉(zhuǎn)換直線中，DAC器件持續(xù)保持為零輸出的最大輸入電壓V1對(duì)應(yīng)于理想零點(diǎn)輸入電壓V2之間的誤差為DAC的失調(diào)誤差），計(jì)算公式如下： （FS） 或EO（LSB） 增益誤差(Full Scale Error，EG)當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到ADC的滿刻度時(shí)所產(chǎn)生的誤差為增益誤差E，既當(dāng)ADC的

12、數(shù)字輸出為2n-1所對(duì)應(yīng)的模擬輸入V與理論上的模擬輸入值V之間的誤差（當(dāng)輸入數(shù)碼達(dá)到DAC的滿刻度時(shí)所產(chǎn)生的誤差為增益誤差E，既當(dāng)DAC的模擬輸出為2n1所對(duì)應(yīng)的模擬輸出V與理論上的模擬輸出量V之間的誤差）。也可以理解為實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線之間的傾斜偏差，E的計(jì)算公式如下： （LSB） 圖增益誤差和失調(diào)誤差示意圖轉(zhuǎn)換時(shí)間（Conversion Time tc） 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指AD轉(zhuǎn)換器完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間,一般低速AD轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換時(shí)間表征AD速度，對(duì)于高速AD轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換率表征AD速度。建立時(shí)間（Setup Time tS） 建立時(shí)間是指DA轉(zhuǎn)換器完成一次從數(shù)字轉(zhuǎn)換

13、到模擬的轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間, 一般是指數(shù)碼輸入脈沖信號(hào)的輸入上升緣幅度50到輸出穩(wěn)定到1/2LSB 的時(shí)間間隔。根據(jù)輸出類(lèi)型分電壓輸出建立時(shí)間和電流輸出建立時(shí)間。對(duì)于高速DA轉(zhuǎn)換器有的也定義為輸出上升緣幅度50到輸出穩(wěn)定到1/2LSB 的時(shí)間間隔。轉(zhuǎn)換率(Conversion Rate，SR)轉(zhuǎn)換率是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級(jí)屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣

14、上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬(wàn)次（kilo / Million Samples per Second）。轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate，SR)轉(zhuǎn)換速率是指完成一次從數(shù)字量轉(zhuǎn)換到模擬量的DA轉(zhuǎn)換所需的頻率。常用單位是KSPS和MSPS，表示每秒采樣千/百萬(wàn)次（Kilo / Million Samples per Second）。A/D、D/A轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)參數(shù)給ADC施加一正旋信號(hào)（給DAC的數(shù)字輸入端施加一數(shù)字正旋信號(hào)），假設(shè)ADC輸出數(shù)字信號(hào)（假設(shè)DAC輸出模擬信號(hào)）中的雜波的能量為NP(noise power)、諧波能量為HP(Harmonic Power)，正弦波基波的能量為SSP(Sinewave Signal Power)。我們可以通過(guò)以下等式定義ADC（DAC）的動(dòng)態(tài)參數(shù):信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)10*log（SSP/NP） 信噪失真比SINAD(Signal to Noise And Distortion Ratio) IAD10*logSSP/（NP+HP） 有效