何为ADC？

模拟数字转换器，即A/D转换器，或简称ADC（Analog to Digital Converter），通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

这种转换器的基本原理是把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样，并与一系列标准的数字信号相比较，数字信号逐次收敛，直至两种信号相等为止。然后显示出代表此信号的二进制数，模拟数字转换器有很多种，如直接的、间接的、高速高精度的、超高速的等。每种又有许多形式。同模拟数字转换器功能相反的称为“数字模拟转换器”，亦称“译码器”，它是把数字量转换成连续变化的模拟量的装置，也有许多种和许多形式。

ADC的主要分类

下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：Σ-Δ调制型、逐次逼近型、积分型、并行比较型/串并行型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1、Σ-Δ ADC（Sigma-Delta)

Σ-Δ ADC由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

Σ-Δ ADC不是对信号的幅度进行直接编码，而是根据前一次采样值与后一次采样值之差（增量）进行量化编码，通常采用一位量化器，利用过采样和∑-Δ调制技术来获得极高的分辨率。Σ-ΔADC由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。

∑-ΔADC三大关键技术：过采样，噪声整形，数字滤波和采样抽取。

优点：

分辨率较高，高达24位；转换速率高，高于积分型和压频变换型ADC；价格低；内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求。

缺点：

高速Σ-Δ型ADC的价格较高；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。

2、逐次逼近型（SAR）

逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，它包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元。它是将采样输入信号与已知电压不断进行比较，1个时钟周期完成位转换，N位转换需要N个时钟周期，转换完成，输出二进制数。

这一类型ADC的分辨率和采样速率是相互矛盾的，分辨率低时采样速率较高，要提高分辨率，采样速率就会受到限制。

优点：

分辨率低于12位时，价格较低，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低。

缺点：

在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。

SAR-ADC转换器的原理比较简单，但是实现方式多种多样，按照其中DAC的工作原理，大致可以将SAR-ADC转换器分为三种类型：电压定标、电流定标、电荷定标。

电压定标

电压定标出现最早，工作原理最简单，其电路结构如下图所示。

电阻串组成的电压定标型ADC最大的优势是能够保持良好的单调性，得到了工业应用。但是对于N位的SAR-ADC转换器，需要2^N个单位电阻。随着ADC转换位数的增多，单位电阻和开关呈指数增加，例如对于8位的SAR-ADC，需要256个单位电阻和510个开关，这么多单元所占芯片面积是相当可观的。

电流定标

电流定标也是早期常见的一种类型，它是利用二进制加权的电流，配合开关实现二进制搜索算法的。常见的电流定标SAR-ADC又可以分为两种，一种使用二进制加权的电流源阵列，另一种使用R-2R阶梯。

使用MOS管组成的这种结构，由于使用了电流开关，所以转换速度较快。但是MOS管的阈值电压变化比较大，MOS管的参数的匹配误差会影响二进制加权电流源的匹配，给SAR-ADC转换器带来了较大的精度误差。

使用R-2R阶梯的电流定标SAR-ADC可以在低电压供电的情况下正常工作。但是MOS工艺的电阻匹配精度交叉，尽管可以使用温度计编码降低对电阻匹配精度的要求，但是，电阻阻值受温度的影响较大，容易引入线性度误差。

电荷定标

电荷定标是目前应用比较多的一种类型，它利用电容通过电荷再分配完成二进制搜索算法，因此功耗一般比较小，而且不需要额外的采样保持电路，按照电容的组织方式，可分为并行电容方式和串行电容方式。

并行电容

并行电容方式一般多指使用二进制加权电容阵列的SAR-ADC，它的基本单元有二进制加权的电容阵列、1个与LSB电容等值的电容、开关和比较器。

串行电容

串行电容方式使用串行DAC，仅通过2个等值电容的电荷再分配，即可 完成逐次逼近过程。对于一个 N位的串行DAC，整个转换需要N次预充电和N次电荷再分配过程。然而，串行DAC的转换是从最低位开始的，故使用串行DAC的N位SAR ADC需要N（N+1）次充放电，而且需要N个比较器的建立时间。

串行电容方式的SAR ADC转换器只需要两个中等大小的电容，所以比并行电容SAR ADC转换器的芯片面积更小，但是它能达到 精度受开关晶体管的寄生电容影响，而且转换速度慢，应用并不广泛。

3、积分型

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。

积分型ADC有不同的种类，常见的有单、双斜率积分等。增加一个“斜率”，以牺牲转换时间为代价而增加精度。

优点：

分辨率高，可达 22 位；线性度非常好。本质上，输入端与一个集成的参考电压相比较来决定输出端，所以线性度将取决于比较器的精度；电路实现拓扑简单，用于实现这些设备的元件相对较少，因此电路相对简单且生产成本较低。

缺点：

转换速率低，转换速率在12 位时为100～300SPS。

初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次逼近型已逐步成为主流。

单斜率积分ADC

比较器将输入电压与集成基准电压的值进行比较（请注意，由于已连接至运算放大器的反相输入，因此我们将设为负）。同时计算时钟周期数。当积分器输出等于时，比较器输出逻辑“ 0”，触发计数器和积分器复位，锁存器保持数字输出。

双斜率积分ADC

双斜率比单斜率ADC更慢，由于执行了两次积分， 与积分器斜率相关的误差将被抵消，从而从原理上提高了精度。

4、并行比较型/串并行比较型

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。

三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

5、流水线型（Pipelined）

流水线结构ADC，又称为子区式 ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。流水线型 ADC 由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的 ADC 和 DAC 以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的 n 位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成 。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m 位分辨率粗 A/D 转换器对输入进行量化，接着用一个至少 n 位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的 K 位细 A/D 转换器对残余信号进行转换。将上述级粗、细A/D 的输出组合起来即构成高精度的 n 位输出。

在这个原理图中，模拟输入VIN首先被采样并由采样保持器(S&H)保持稳定，而第一阶段的flash ADC将其量化为三位。然后将3位输出馈给3位DAC(精确到12位)，然后从输入中减去模拟输出。这个“剩余量”扩大4倍并被送入下一阶段(第二阶段)。这个增加的剩余量继续通过下级流水线，每一阶段提供3位，直到它到达4位flash ADC，将解析最后的4LSB位。因为每个阶段的位是在不同的时间点确定的，所以相同样本对应的所有位在被馈送到数字错误校正逻辑之前都与移位寄存器进行了时间对齐。请注意，当一个流水完成对输入样本的处理，确定本流水采集位并将残差传递到下一个流水时，它便可以开始处理从每个流水中嵌入的采样保持器接收到的下一个样本。

这种流水线操作是高吞吐量的原因，这也是流水的概念。

流水线ADC可能有许多变化，这取决于几个变量：每个阶段解析多少位；LSB闪存ADC中的位数；以及是否使用数字校准或微调来提高前两个阶段的精度。每个阶段的比特划分部分由目标采样率和分辨率决定。

应用

广泛应用于CCD成像、超声波医学成像、数字接收器、基站、数字视频、电缆调制解调器和快速以太网。

采样率比较低的应用程序仍然是逐次逼近寄存器和集成体系结构的领域，当然还有过采样。尽管如此，近年来各种形式的流水线ADC在速度、分辨率、动态性能和低功耗方面都有了很大的提高。

大多数现代流水线ADC采用了一种“数字纠错”的技术，大大降低了Flash ADC的精度要求。

优点：

有良好的线性和低失调；可以同时对多个采样进行处理，有较高的信号处理速度，典型的为Tconv<100ns；低功率；高精度；高分辨率；可以简化电路。

缺点：

基准电路和偏置结构过于复杂；输入信号需要经过特殊处理，以便穿过数级电路造成流水延迟；对锁存定时的要求严格；对电路工艺要求很高，电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。

6、压频变换型

压频变换型(Voltage-Frequency Converter)是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然 后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

优点：

精度高、价格较低、功耗较低。

缺点：

类似于积分型 ADC，其转换速率受到限制，12 位时为 100～300SPS。

以上介绍的是几种常见的ADC类型和特点，分享给大家参考。

ADC芯片选型

针对各种ADC芯片，如何区分ADC芯片性能的好坏呢？

1、精度、也称为分辨率（Resolution），单位(Bits)比特；精度越高的ADC转换出来的数字信号越接近于原来真实的模拟信号；另一方面，该精度只表示ADC输出的位数，不代表这些位数里真正的信号分量。

2、量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

在转化过程中，由于存在量化误差和系统误差，精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可计算的，它主要决定于A/D转换器件的位数。

3、采样速率（Input Sampling Rate）单位是SPS,如果ADC的采样频率是Fs（Hz），那么它可以转换的模拟信号带宽至多是Fs/2（Hz）。比如1Msps代表着1M Samples Per Second,对应的ADC的采样频率就是1MHz，可以转换的模拟信号带宽至多是1/2MHz。

3、功耗 Power Diss 单位 mW；

4、噪声 Chip Noise 单位 Vrms 均方根；

5、温漂 Temperature Drift 单位 ppm/℃;

6、实际精度 ENOB ADC 输出的信号位数 单位 比特；

7、信噪比 SNR 单位分贝。

ADC的选型指标

•采样精度—— 即分辨率，一般有10位、12位、16位等；

•转换时间—— 即每次采样所需的时间，表征 ADC 的转换速度，与 ADC 的时钟频率、采样周期、转换周期有关；

•数据输出方式—— 如并口输出、串口输出；

•ADC类型—— 不同类型的 ADC 有不同的性能极限；

•工作电压—— 需要注意 ADC 的工作电压范围、能否直接测量负电压等；

•芯片封装—— 芯片封装是否符合产品设计要求；

•性价比—— 控制成本。

最主要的依据还是速度和精度。

目前ADC芯片的存在形式多种多样：

1、传统封装片、集成电路；

2、ADC IP存在于各种SOC芯片中；

3、ADC集成模拟芯片（SIP），存在于各类数字传感器芯片。

可见ADC IP应用广泛，致力于此的厂商也不在少数。

Archband、Faraday、锐成芯微等公司提供优质的AMBA IP产品。

部分工艺展示

　　审核编辑：汤梓红