AD轉(zhuǎn)換器不斷以低成本提供高性能

1、A/D轉(zhuǎn)換器不斷以低成本提供高性能 (圖) 作者：Burr-Brown公司W(wǎng)ayne Talley和Brett Schroer 日期：2000-1-1 來源：本網(wǎng) 字符大小： 【大】 【中】 【小】 多年以來，對(duì)高性能、低成本的需求促使A/D轉(zhuǎn)換器不斷發(fā)展。雖然A/D轉(zhuǎn)換器有許多主要參數(shù)速度、精度、功耗和不斷縮小的尺寸，但對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)廠商來說真正的挑戰(zhàn)是在低成本器件之中實(shí)現(xiàn)這些高性能。 結(jié)構(gòu) - 在過去20年中，A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)者采用了幾種常見結(jié)構(gòu)：逐次近似寄存器（Successive-Approximation RegisterSAR）、雙斜率、-和最近的高速流水線結(jié)構(gòu)。

2、表中列出了這些結(jié)構(gòu)的分辨率、帶寬、價(jià)格和應(yīng)用范圍。 - SAR轉(zhuǎn)換器歷經(jīng)了從R2R梯型SAR到電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器Capacitive Digital-to-Analog ConverterCDAC） SAR的演化過程。結(jié)構(gòu)的改進(jìn)產(chǎn)生了顯著效果。首先，CDAC SAR轉(zhuǎn)換器是集成度更高的方案，因?yàn)樗巳颖３址糯笃?，這樣就無需在A/D轉(zhuǎn)換器之外另加一個(gè)分立的取樣保持功能元件。CDAC中的電容為采樣保 持放大器提供了存儲(chǔ)功能，以及轉(zhuǎn)換器的最高有效位。 - 其次，它實(shí)現(xiàn)了低功耗，因?yàn)槿コ酥挥米骶日{(diào)整的板上電阻。CDAC SAR轉(zhuǎn)換器與-轉(zhuǎn)換器相比帶寬更大，適于把更快的分離模擬輸入信號(hào)數(shù)字化。

3、 - 雙斜率結(jié)構(gòu)則采用通過恒定電流為電容充電這種模擬方式。電容放電所需的時(shí)間決定了模擬信號(hào)的大小。雙斜率轉(zhuǎn)換器很適合處理緩慢變化的輸入信號(hào)。 - -技術(shù)的成功可歸因于它去除了轉(zhuǎn)換器前端的抗混淆模擬濾波器。相比之下，其他A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)需要在轉(zhuǎn)換器的前面加一個(gè)阻帶濾波器。-結(jié)構(gòu)最適合于要求優(yōu)良線性度和精度的低頻率信號(hào)的高分辨率轉(zhuǎn)換。 - 流水線結(jié)構(gòu)采用了一種級(jí)聯(lián)技術(shù)，若干低分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器共同來獲得高精度。流水線結(jié)構(gòu)支持高速應(yīng)用，如數(shù)字通信、測(cè)試儀器、CCD成像和照相機(jī)。 價(jià)格- 對(duì)于整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)來說，擴(kuò)展產(chǎn)品應(yīng)用范圍的主要力量就是降低價(jià)格。請(qǐng)看一下A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格的變化：10年前一個(gè)16

4、位分辨率的多芯片A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)價(jià)為100美元，而今天，同等性能的單芯片器件還不到10美元。 - 與此類似，10年前要花40美元才能買到12位A/D轉(zhuǎn)換器。今天，同樣是12位的轉(zhuǎn)換器的批量?jī)r(jià)格不到1美元。制造工藝、更小尺寸和封裝形式等方面的技術(shù)進(jìn)步使得降價(jià)成為可能。 - 采用CDAC來完成實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換的SAR型A/D轉(zhuǎn)換器傳統(tǒng)上采用精確的薄膜電阻來提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度。雖然該技術(shù)提高了A/D轉(zhuǎn)換器的性能，但通過電阻的電流增加了功率損耗，這成了一個(gè)大問題?，F(xiàn)在采用的link trimming方式速度更快，也更經(jīng)濟(jì)。 - 在處理能力和精度提高的同時(shí)，封裝領(lǐng)域也取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。整個(gè)電子工業(yè)都從

5、PDIP向SOIC和SSOP封裝轉(zhuǎn)移，節(jié)省了材料，降低了成本。 功耗- 為滿足對(duì)低功耗的要求，A/D轉(zhuǎn)換器已從雙電源雙極器件過渡到單電源CMOS器件，供電電壓接近1.8V。隨著更多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從雙電源向單電源轉(zhuǎn)移， 對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器要求的另一變化浮出水面。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器可設(shè)計(jì)成具有優(yōu)良動(dòng)態(tài)范圍和高精度，±10V變化范圍的雙極模擬輸入正已經(jīng)讓位給02.7V變 化范圍的單極輸入。 - 人們又開發(fā)出幾種獨(dú)特的技術(shù)來進(jìn)一步滿足功耗方面的要求，如掉電模式、小睡模式和睡眠模式。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器不進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)，消耗大部分電能的某些模擬電 路（電壓基準(zhǔn)、比較器）可以關(guān)閉。例如，Burr-Brown

6、公司的16位ADS8320 A/D轉(zhuǎn)換器在100kHz全采樣速率下只消耗1.8mW。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)換器不用時(shí)，功耗便降為8W。 精度- 高精度- A/D轉(zhuǎn)換器正朝著大于20位分辨率和更高集成度的方向邁進(jìn)。16位SAR A/D轉(zhuǎn)換器成本的降低則為系統(tǒng)大幅升級(jí)提供了機(jī)會(huì)。過去，16位A/D轉(zhuǎn)換器的價(jià)格高不可攀，但現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員完全可以對(duì)他們的12位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代，同時(shí)不會(huì)感到財(cái)政壓力。 尺寸- 封裝技術(shù)的改進(jìn)導(dǎo)致了越來越小的封裝尺寸。小封裝尺寸（SOIC、SSOP、TQFP等）滿足了消費(fèi)類電子產(chǎn)品對(duì)大批量生產(chǎn)的要求。 - 雖然人們?cè)谠驮O(shè)計(jì)時(shí)喜歡使用PDIP器件，但SSOP器件卻提供了自動(dòng)操作等方面的

7、優(yōu)勢(shì)，這改善了印板生產(chǎn)和系統(tǒng)可靠性，因?yàn)榉乐沽艘_彎曲和靜電放電。另一個(gè)趨向是穿孔器件的衰落和貼片器件的流行。表面貼裝技術(shù)滿足了印板擴(kuò)展和多層板技術(shù)的要求。 適應(yīng)市場(chǎng)- 生產(chǎn)商已制造出品種浩瀚的CMOS器件，為某些特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器的開發(fā)同樣不斷取得進(jìn)展。通過在現(xiàn)有的核心模擬電路中集成進(jìn)一些關(guān)鍵功能，集成電路可更好地適應(yīng)某種特殊需求。這些器件可使系統(tǒng)成本降至最低，因?yàn)樵揑C只包含設(shè)計(jì)者所要求的功能。 - 圖1示出了一個(gè)基本的四通道A/D轉(zhuǎn)換器。最近，該轉(zhuǎn)換器中又增加了電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器和電池監(jiān)視器，以更好地實(shí)現(xiàn)觸摸屏系統(tǒng)所要求的功能。  圖1：逐次近似寄存A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率有1012位，功耗低，成本低。 向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展- 生產(chǎn)商和設(shè)計(jì)人員將繼續(xù)探尋下一代A/D轉(zhuǎn)換器，它將具有更高的集成度和功能。說得簡(jiǎn)單一些，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的A/D轉(zhuǎn)換器就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然 而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員會(huì)在電路中集成進(jìn)更多的功能，如可編程