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A/D转换器不断以低成本提供高性能 (图) 作者：Burr-Brown公司Wayne Talley和Brett Schroer 日期：2000-1-1 来源：本网 字符大小： 【大】 【中】 【小】 多年以来，对高性能、低成本的需求促使A/D转换器不断发展。虽然A/D转换器有许多主要参数速度、精度、功耗和不断缩小的尺寸，但对于A/D转换器生产厂商来说真正的挑战是在低成本器件之中实现这些高性能。 结构- 在过去20年中，A/D转换器的设计者采用了几种常见结构：逐次近似寄存器（Successive-Approximation RegisterSAR）、双斜率、-和最近的高速流水线结构。表中列出了这些结构的分辨率、带宽、价格和应用范围。 - SAR转换器历经了从R2R梯型SAR到电容数字模拟转换器Capacitive Digital-to-Analog ConverterCDAC） SAR的演化过程。结构的改进产生了显著效果。首先，CDAC SAR转换器是集成度更高的方案，因为它包含了取样保持放大器，这样就无需在A/D转换器之外另加一个分立的取样保持功能元件。CDAC中的电容为采样保 持放大器提供了存储功能，以及转换器的最高有效位。 - 其次，它实现了低功耗，因为去除了只用作精度调整的板上电阻。CDAC SAR转换器与-转换器相比带宽更大，适于把更快的分离模拟输入信号数字化。 - 双斜率结构则采用通过恒定电流为电容充电这种模拟方式。电容放电所需的时间决定了模拟信号的大小。双斜率转换器很适合处理缓慢变化的输入信号。 - -技术的成功可归因于它去除了转换器前端的抗混淆模拟滤波器。相比之下，其他A/D转换器结构需要在转换器的前面加一个阻带滤波器。-结构最适合于要求优良线性度和精度的低频率信号的高分辨率转换。 - 流水线结构采用了一种级联技术，若干低分辨率的A/D转换器共同来获得高精度。流水线结构支持高速应用，如数字通信、测试仪器、CCD成像和照相机。 价格- 对于整个半导体工业来说，扩展产品应用范围的主要力量就是降低价格。请看一下A/D转换器价格的变化：10年前一个16位分辨率的多芯片A/D转换器标价为100美元，而今天，同等性能的单芯片器件还不到10美元。 - 与此类似，10年前要花40美元才能买到12位A/D转换器。今天，同样是12位的转换器的批量价格不到1美元。制造工艺、更小尺寸和封装形式等方面的技术进步使得降价成为可能。 - 采用CDAC来完成实际模数转换的SAR型A/D转换器传统上采用精确的薄膜电阻来提高A/D转换器的精度。虽然该技术提高了A/D转换器的性能，但通过电阻的电流增加了功率损耗，这成了一个大问题。现在采用的link trimming方式速度更快，也更经济。 - 在处理能力和精度提高的同时，封装领域也取得了显著的技术进步。整个电子工业都从PDIP向SOIC和SSOP封装转移，节省了材料，降低了成本。 功耗- 为满足对低功耗的要求，A/D转换器已从双电源双极器件过渡到单电源CMOS器件，供电电压接近1.8V。随着更多的数据采集系统从双电源向单电源转移， 对A/D转换器要求的另一变化浮出水面。因为A/D转换器可设计成具有优良动态范围和高精度，10V变化范围的双极模拟输入正已经让位给02.7V变 化范围的单极输入。 - 人们又开发出几种独特的技术来进一步满足功耗方面的要求，如掉电模式、小睡模式和睡眠模式。当A/D转换器不进行转换操作时，消耗大部分电能的某些模拟电 路（电压基准、比较器）可以关闭。例如，Burr-Brown公司的16位ADS8320 A/D转换器在100kHz全采样速率下只消耗1.8mW。但是，当转换器不用时，功耗便降为8W。 精度- 高精度- A/D转换器正朝着大于20位分辨率和更高集成度的方向迈进。16位SAR A/D转换器成本的降低则为系统大幅升级提供了机会。过去，16位A/D转换器的价格高不可攀，但现在设计人员完全可以对他们的12位系统实现升级换代，同时不会感到财政压力。 尺寸- 封装技术的改进导致了越来越小的封装尺寸。小封装尺寸（SOIC、SSOP、TQFP等）满足了消费类电子产品对大批量生产的要求。 - 虽然人们在原型设计时喜欢使用PDIP器件，但SSOP器件却提供了自动操作等方面的优势，这改善了印板生产和系统可靠性，因为防止了引脚弯曲和静电放电。另一个趋向是穿孔器件的衰落和贴片器件的流行。表面贴装技术满足了印板扩展和多层板技术的要求。 适应市场- 生产商已制造出品种浩瀚的CMOS器件，为某些特定应用而设计的A/D转换器的开发同样不断取得进展。通过在现有的核心模拟电路中集成进一些关键功能，集成电路可更好地适应某种特殊需求。这些器件可使系统成本降至最低，因为该IC只包含设计者所要求的功能。 - 图1示出了一个基本的四通道A/D转换器。最近，该转换器中又增加了电压基准、温度传感器和电池监视器，以更好地实现触摸屏系统所要求的功能。 图1：逐次近似寄存A/D转换器的分辨率有1012位，功耗低，成本低。 向数据采集系统发展- 生产商和设计人员将继续探寻下一代A/D转换器，它将具有更高的集成度和功能。说得简单一些，一个标准的A/D转换器就是把模拟信号转换为数字数据。然 而，随着技术的不断进步，设计人员会在电路中集成进更多的功能，如可编程增