AD选型指南.doc

中国电子科技集团公司第24研究所A/D、D/A转换器在模拟集成电路世界占有非常重要的地位，在系统中实现数据的采集与处理，完成模拟与数字相互转换。将模拟信号转换成能进行数字处理的二进制代码的模拟集成电路称为A/D转换器，即Analog to digital converter（简称ADC），A/D转换器的输入信号为模拟信号，输出信号为数字信号，输入类型有单端输入和差分输入，输出类型有并行输出和串行输出，输出数字信号电平模式有CMOS、TTL、ECL和LVDS。将二进制代码转换成模拟信号的集成电路称为D/A转换器，即Digital to analog converter（简称DAC），输入信号为数字信号，输出为模拟信号，输入类型有并行输入、串行输入和分段输入，输出类型有电流输出和电压输出。7选择合适的A/D、D/A转换器及应用好所选择的产品，关系到系统整体性能，下面将从系统选择和使用A/D、D/A转换器以及A/D、D/A转换器的特性等几方面进行阐述。一、系统中A/D、D/A转换器的选择考虑的因素根据不同的系统要求，选择具体A/D、D/A转换器的产品可因人而异，但是，大体可遵循以下原则：终端系统的要求根据对终端系统的要求分析，确定整体系统分解到A/D、D/A模块的主要指标，提出需要的产品精度（即位数或分辨率）和速度（即A/D：转换率/转换时间，D/A：转化速率/建立时间）。成本考虑成本与产品性能的取舍方案，确定可接受的成本范围。分辨率或精度根据分辨率或精度划分A/D、D/A转换器一般有：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 对于选择低速A/D转换器，则确定系统容许的转换时间，对于选择高速A/D转换器，则确定系统容许的采样频率和模拟输入信号频率。对于选择低速D / A转换器，则确定系统容许的建立时间，对于选择高速D/A转换器，则确定系统容许的工作频率和模拟输出信号频率。性能在确定以上因素后进行产品的具体选择时，应主要考虑如下表所示的电性能参数，根据具体系统确定满足要求的产品。低速A/D高速A/D低速D/A高速D/A线性误差线性误差线性误差线性误差微分误差微分误差微分误差微分误差电源电流电源电流电源电流电源电流功 耗功 耗功 耗功 耗转换时间转换率建立时间最高工作频率失调误差失调误差失调误差输出建立时间增益误差增益误差增益误差失调误差信 噪 比增益误差信噪失真比信 噪 比无杂散动态范围信噪失真比总谐波失真无杂散动态范围二次谐波总谐波失真三次谐波二次谐波三次谐波二、A/D、D/A转换器的合理应用 对于A/D、D/A转换器模拟集成电路，即使选择合适的产品或高性能产品，如果使用不当，将会影响A/D、D/A转换器性能的发挥，达不到预期效果，甚至带来可靠性问题。为此，下面将给出A/D、D/A转换器合理应用的基本要求。、A/D、D/A转换器的供电进行系统设计时应特别注意将A/D、D/A转换器的模拟电源和数字电源分开，各自所对应的地线也要分开，模拟信号与数字信号分开，减少模拟与数字之间的相互串扰，并对电源进行良好的滤波。印刷电路板布线时最好将模拟电源、数字电源、模拟地、数字地、模拟信号和数字信号进行合理分层设计。、A/D、D/A转换器的滤波A/D、D/A转换器是数模混合集成电路，由于电路内部有寄生电容的存在，在电路工作时会发生数字对模拟电源、模拟地和基准电源的影响，因此，必须在模拟电源、数字电源和基准电源进行电容滤波处理。、A/D、D/A转换器的散热对于功耗较大的A/D、D/A转换器正常工作时，在各种应用中都有必要限制这种“自身发热”，使A/D、D/A转换器工作温度不超过指定的最大值。一般对功耗较大的A/D、D/A转换器采取附加散热片方式实现散热的目的：散热片的用途是增大散热面积，以便将A/D、D/A转换器产生的热量转移到空气中，这会降低热阻。当使用散热片时，将散热片在空气中垂直排列会产生最好的效果。如果散热片不是暴露在空气中，热量转移将受到一定的影响。对于功耗上级的产品，条件容许下可采取提供气流方式实现散热的目的：气流对于改进散热片状况及减少热阻，是一种有效的方法。气流可加快冷却，应用中可使用风扇或吹风机。气流可降低热阻，而不用加散热片。在某些应用场合没有气流，但加装风扇也不是最佳选择。因为风扇会增加系统整体体积，影响系统的平均无故障工作时间（MTBF），并产生噪声。、高速A/D、D/A转换器版图布线基本原则对于高速A/D、D/A转换器，其版图布线需要高速电路设计技巧，如果遵循以下基本原则，可确保高速A/D、D/A转换器在系统的动态特性的发挥。所有的旁路电容尽可能靠近器件安装，最好和ADC（DAC）在同一层面，采用表面贴器装元件使引线最短，减少寄生电感和电容。模拟电源、数字电源、基准电源和输入公共端采用两个0.1f的陶瓷电容和一个2.2f双极性电容并联对地旁路。采用具有独立的地平面和电源平面的多层电路板，保证信号的完整性。采用独立的接地平面时应考虑ADC（DAC）模拟地和数字地的物理位置。两个地平面之间的阻抗要尽可能低，二者间的交流和直流电压低于0.3V以避免器件的损坏和死锁。模拟地与数字地应单点连接，避免充满噪声的数字地电流对模拟地的干扰，理想接点的位置可以沿着两个地平面通过实验得到最优效果。模拟地与数字地间的连接可以用低阻值表贴电阻（150）、铁氧体磁珠或直接短路。如果模拟地与数字地分隔离时，也可以选择将所有的接地引脚置于同一平面。高速数字信号线应远离敏感的模拟信号线。所有的信号线应尽可能短，而且无90拐角。时钟输入要作为模拟信号处理，远离任何模拟输入（输出）和数字信号。、其他注意事项在产品传递、使用过程中应有防静电措施，在传递中采用防静电薄膜包装。在使用过程中，调试仪器、系统地要接大地良好，调试操作人要带防静电腕带、试验设备接大地良好等防静电保护措施。使用过程中模拟输入电压和数字输入电压不能超过工作的电源电压，否则，容易发生闭锁现象。使用过程中电源电压不能超过规定的绝对最大额定值，否则会产生过压击穿失效。不用的控制或数字端最好接一大电阻到地（10100），以免静电对电路的影响。使用过程中尽量避免掉电现象发生，电路的加电顺序为模拟地、数字地、负电源、正电源控制信号、参考电源、数据信号，电路的断电顺序为数据信号、参考电源、控制信号、正电源、负电源、数字地、模拟地。三. A/D、D/A转换器的主要参数定义微分误差(Differential Nonlinearity,DNL，DL)微分误差定义ADC实际转换码宽与理想码宽的相对偏差（DAC相临的两个输入数码所对应的输出模拟信号的相对偏差）。DL 用VLSB表示ADC（或DAC）码宽理想的幅度，Vn表示实际上的码宽幅度，则微分误差又可以表示为：DL0图实际ADC转换曲线与理想转换曲线对比线性误差(Integrated Nonlinearity,INL，)线性误差定义为实际转换点与理想转换点之差，通常要取每个转换码宽的中点与理想转换曲线之差。所谓的理想转换曲线有两种定义，可以是输出转换点的最佳拟合直线，也可以是修正偏置误差和增益误差后的直线，第二种定义由于在计算上很方便所以实际更常用。两者分析结果有差别，实际上线性误差为微分误差的积分。 图2不同拟合法差别失调误差 (Offset Error，)当输入电压为零时所产生的误差为零点误差Ez，即在实际转换直线中，ADC器件持续保持为零输出的最大输入电压V1对应于理想零点输入电压V2之间的误差为ADC的失调误差（当输入数码为全零时所产生的误差为零点误差Ez，即在实际转换直线中，DAC器件持续保持为零输出的最大输入电压V1对应于理想零点输入电压V2之间的误差为DAC的失调误差），计算公式如下： （FS） 或EO（LSB） 增益误差(Full Scale Error，EG)当输入信号达到ADC的满刻度时所产生的误差为增益误差E，既当ADC的数字输出为2n-1所对应的模拟输入V与理论上的模拟输入值V之间的误差（当输入数码达到DAC的满刻度时所产生的误差为增益误差E，既当DAC的模拟输出为2n1所对应的模拟输出V与理论上的模拟输出量V之间的误差）。也可以理解为实际转换曲线与理想转换曲线之间的倾斜偏差，E的计算公式如下： （LSB） 图增益误差和失调误差示意图转换时间（Conversion Time tc） 转换时间是指AD转换器完成一次从模拟转换到数字的转换所需的时间,一般低速AD转换器采用转换时间表征AD速度，对于高速AD转换器采用转换率表征AD速度。建立时间（Setup Time tS） 建立时间是指DA转换器完成一次从数字转换到模拟的转换所需的时间, 一般是指数码输入脉冲信号的输入上升缘幅度50到输出稳定到1/2LSB 的时间间隔。根据输出类型分电压输出建立时间和电流输出建立时间。对于高速DA转换器有的也定义为输出上升缘幅度50到输出稳定到1/2LSB 的时间间隔。转换率(Conversion Rate，SR)转换率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。转换速率(Conversion Rate，SR)转换速率是指完成一次从数字量转换到模拟量的DA转换所需的频率。常用单位是KSPS和MSPS，表示每秒采样千/百万次（Kilo / Million Samples per Second）。A/D、D/A转换器动态参数给ADC施加一正旋信号（给DAC的数字输入端施加一数字正旋信号），假设ADC输出数字信号（假设DAC输出模拟信号）中的杂波的能量为NP(noise power)、谐波能量为HP(Harmonic Power)，正弦波基波的能量为SSP(Sinewave Signal Power)。我们可以通过以下等式定义ADC（DAC）的动态参数: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