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  一、模擬芯片概述

ADC就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。是將模擬量轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制數(shù)值表示的離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器。DAC就是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成以標(biāo)準(zhǔn)量(或參考量)為基準(zhǔn)的模擬量的轉(zhuǎn)換器。簡(jiǎn)稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換器。

  二、ADC/DAC芯片

  1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器主要分為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)兩類(lèi)：

●模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC：負(fù)責(zé)以連續(xù)的時(shí)間間隔測(cè)量信號(hào)電壓以獲取連續(xù)的模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件。通過(guò)ADC將多數(shù)無(wú)法被數(shù)字系統(tǒng)識(shí)別與處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可以提高信號(hào)分析能力，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的存儲(chǔ)方式和更精確的傳輸。一般適用于數(shù)字傳感器芯片、傳統(tǒng)封裝片、集成電路、SOC芯片等各類(lèi)涉及數(shù)字處理的應(yīng)用場(chǎng)景。

  ●數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC：負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的器件，主要特性指標(biāo)包括分辨率、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換誤差等，模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)中。

  2.ADC/DAC的主要參數(shù)

  ●分辨率:以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)來(lái)表示。位數(shù)越高，分辨率越高。例如7606是16位

  ●轉(zhuǎn)換速率:進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速率。用MSPS表示，數(shù)值約大，速度越快。7606的速率為125MSPS

  3、ADC/DAC芯片應(yīng)用場(chǎng)景

  當(dāng)前ADC芯片的下游需求主要集中在通信設(shè)備(35%以上)、汽車(chē)電子(22%)、工業(yè)(20%)、消費(fèi)電子(10%)等領(lǐng)域。

  ●消費(fèi)電子市場(chǎng)屬于低端ADC芯片，而高端芯片的市場(chǎng)包括有線/無(wú)線通信、汽車(chē)電子、軍工、工業(yè)、航空航天、醫(yī)療儀器等。

  ●根據(jù)Databeans統(tǒng)計(jì)，高端ADC芯片的單價(jià)是低端ADC芯片的數(shù)倍，比如高速率ADC占總出貨量不到10%，但是占據(jù)行業(yè)接近50%的銷(xiāo)售額。

●未來(lái)幾年支撐ADC芯片增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素是5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子等新興領(lǐng)域，這些領(lǐng)域所需的產(chǎn)品或技術(shù)對(duì)信號(hào)處理的需求(包括速度、精度、噪音等)增長(zhǎng)迅速，不斷迭代更新。

  三、ADC/DAC芯片工作原理

  通常情況下，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。

  1、取樣和保持

  取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。取樣過(guò)程示意圖如圖1所示。圖(a)為取樣電路結(jié)構(gòu)，其中，傳輸門(mén)受取樣信號(hào)S(t)控制，在S(t)的脈寬τ期間，傳輸門(mén)導(dǎo)通，輸出信號(hào)vO(t)為輸入信號(hào)v1,而在(Ts-τ)期間，傳輸門(mén)關(guān)閉，輸出信號(hào)vO(t)=0。電路中各信號(hào)波形如圖(b)所示。

圖1 取樣電路結(jié)構(gòu)(a)

圖1 取樣電路中的信號(hào)波形(b)

  通過(guò)分析可以看到，取樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所取得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。但帶來(lái)的問(wèn)題是數(shù)據(jù)量增大，為保證有合適的取樣頻率，它必須滿足取樣定理。

  取樣定理：設(shè)取樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)v1(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs與fimax必須滿足下面的關(guān)系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

  將取樣電路每次取得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號(hào)必須通過(guò)保持電路保持一段時(shí)間。

  取樣與保持過(guò)程往往是通過(guò)取樣-保持電路同時(shí)完成的。取樣-保持電路的原理圖及輸出波形如圖2所示。

圖2 取樣-保持電路原理圖

圖2 取樣-保持電路波形圖

  電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成。電路中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減少對(duì)輸入信號(hào)源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應(yīng)具有較高輸入阻抗，A2還應(yīng)具有低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負(fù)載能力。一般還要求電路中AV1·AV2=1。

  現(xiàn)結(jié)合圖2來(lái)分析取樣-保持電路的工作原理。在t=t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合，電容被迅速充電，由于AV1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1時(shí)間間隔內(nèi)是取樣階段。在t=t1時(shí)刻S斷開(kāi)。若A2的輸入阻抗為無(wú)窮大、S為理想開(kāi)關(guān)，這樣可認(rèn)為電容CH沒(méi)有放電回路，其兩端電壓保持為v0不變，圖11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持階段。

  取樣-保持電路以由多種型號(hào)的單片集成電路產(chǎn)品。如雙極型工藝的有AD585、AD684;混合型工藝的有AD1154、SHC76等。

  2、量化與編碼

  數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱(chēng)量化。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

  量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位，用△表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。

  在量化過(guò)程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱(chēng)之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

  量化過(guò)程常采用兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

  (1)、只舍不入量化方式

  以3位A/D轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)輸入信號(hào)v1的變化范圍為0～8V，采用只舍不入量化方式時(shí)，取△=1V，量化中不足量化單位部分舍棄，如數(shù)值在0～1V之間的模擬電壓都當(dāng)作0△，用二進(jìn)制數(shù)000表示，而數(shù)值在1～2V之間的模擬電壓都當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示……這種量化方式的最大誤差為△。

  (2)、四舍五入量化方式

  如采用四舍五入量化方式，則取量化單位△=8V/15，量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。它將數(shù)值在0～8V/15之間的模擬電壓都當(dāng)作0△對(duì)待，用二進(jìn)制000表示，而數(shù)值在8V/15～24V/15之間的模擬電壓均當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示等。

  3、比較

  采用前一種只舍不入量化方式最大量化誤差│εmax│=1LSB,而采用后一種有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化誤差比前者小，故為多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所采用。

  隨著集成電路的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測(cè)及控制需要而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)運(yùn)而生。