各種ADC轉換方式的優缺點
阿新 • • 發佈：2019-02-09
1．逐次逼近型
逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐 次逼近暫存器（SAR）和1個邏輯控制單元。它是將取樣輸入訊號與已知電壓不斷進行比較，1個時鐘週期完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘週期，轉換完 成，輸出二進位制數。這一型別ADC的解析度和取樣速率是相互矛盾的，解析度低時取樣速率較高，要提高解析度，取樣速率就會受到限制。
優點：解析度低於12位時，價格較低，取樣速率可達1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低。
缺點：在高於14位解析度情況下，價格較高；感測器產生的訊號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。
2．積分型ADC
積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來確定，因此所得到的D表示式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決於參考電壓VR。此外，由於 輸入端採用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz），適合在嘈雜的工業環境中使用。 這類ADC主要應用於低速、精密測量等領域，如數字電壓表。
優點：解析度高，可達22位；功耗低、成本低。
缺點：轉換速率低，轉換速率在12位時為100～300SPS。
3．並行比較A/D轉換器
並行比較ADC主要特點是速度快，它是所有的A/D轉換器中速度最快的，現代發展的高速ADC大多采用這種結構，取樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，並行比較ADC的解析度難以做的很高。
這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決於比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出程式碼對轉換時間的影響較小，但隨著解析度 的提高，需要高密度的模擬設計以實現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一 倍。
並行比較ADC的解析度受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重複的並聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜態誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一型別的ADC由於比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會產生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。
優點：模/數轉換速度最高。
缺點：解析度不高，功耗大，成本高。
4．壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬訊號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈衝 訊號，然後在固定的時間間隔內對此脈衝訊號進行計數，計數結果即為正比於輸入模擬電壓訊號的數字量。從理論上講，這種ADC的解析度可以無限增加，只要採 用時間長到滿足輸出頻率解析度要求的累積脈衝個數的寬度即可。
優點：精度高、價格較低、功耗較低。
缺點：類似於積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100～300SPS。
5．∑-Δ型ADC
∑-Δ轉換器又稱為過取樣轉換器，它採用增量編碼方式即根據前一量值與後一量值的差值的大 小來進行量化編碼。∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調製器和數字抽取濾波器。∑-Δ調製器主要完成訊號抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即 ∑-Δ碼；數字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高解析度的線性脈衝編碼調製的數字訊號。因此抽取濾波器實際上相當於一個碼型變換 器。
優點：解析度較高，高達24位；轉換速率高，高於積分型和壓頻變換型ADC；價格低；內部利用高倍頻過取樣技術，實現了數字濾波，降低了對感測器訊號進行濾波的要求。
缺點：高速∑-△型ADC的價格較高；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。
6．流水線型ADC
流水線結構ADC，又稱為子區式ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高解析度的模數轉換，並且具有令人滿意的低功率消耗和很小的晶片尺寸；經過合理的設計，還可以提供優異的動態特性。
流水線型ADC由若干級級聯電路組成，每一級包括一個取樣/保持放大器、一個低解析度的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的 級間放大器。快速精確的n位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成。首級電路的取樣/保持器對輸入訊號取樣後先由一個m位解析度粗A/D轉換器對輸入 進行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產生一個對應於量化結果的模/擬電平並送至求和電路，求和電路從輸入訊號中扣除此模擬電 平。並將差值精確放大某一固定增益後關交下一級電路處理。經過各級這樣的處理後，最後由一個較高精度的K位細A/D轉換器對殘餘訊號進行轉換。將上述各級 粗、細A/D的輸出組合起來即構成高精度的n位輸出。
優點：有良好的線性和低失調；可以同時對多個取樣進行處理，有較高的訊號處理速度，典型的為Tconv<100ns；低功率；高精度；高解析度；可以簡化電路。
缺點：基準電路和偏置結構過於複雜；輸入訊號需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲；對鎖存定時的要求嚴格；對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它引數。
目前，這種新型的ADC結構主要應用於對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、頻寬和瞬態相應速度等時域特性要求較高的CCD成像系統，對時域和頻域引數都要求較高的資料採集系統。
逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐 次逼近暫存器（SAR）和1個邏輯控制單元。它是將取樣輸入訊號與已知電壓不斷進行比較，1個時鐘週期完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘週期，轉換完 成，輸出二進位制數。這一型別ADC的解析度和取樣速率是相互矛盾的，解析度低時取樣速率較高，要提高解析度，取樣速率就會受到限制。
優點：解析度低於12位時，價格較低，取樣速率可達1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低。
缺點：在高於14位解析度情況下，價格較高；感測器產生的訊號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。
2．積分型ADC
積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來確定，因此所得到的D表示式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決於參考電壓VR。此外，由於 輸入端採用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz），適合在嘈雜的工業環境中使用。 這類ADC主要應用於低速、精密測量等領域，如數字電壓表。
優點：解析度高，可達22位；功耗低、成本低。
缺點：轉換速率低，轉換速率在12位時為100～300SPS。
3．並行比較A/D轉換器
並行比較ADC主要特點是速度快，它是所有的A/D轉換器中速度最快的，現代發展的高速ADC大多采用這種結構，取樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，並行比較ADC的解析度難以做的很高。
這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決於比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出程式碼對轉換時間的影響較小，但隨著解析度 的提高，需要高密度的模擬設計以實現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一 倍。
並行比較ADC的解析度受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重複的並聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜態誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一型別的ADC由於比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會產生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。
優點：模/數轉換速度最高。
缺點：解析度不高，功耗大，成本高。
4．壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬訊號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈衝 訊號，然後在固定的時間間隔內對此脈衝訊號進行計數，計數結果即為正比於輸入模擬電壓訊號的數字量。從理論上講，這種ADC的解析度可以無限增加，只要採 用時間長到滿足輸出頻率解析度要求的累積脈衝個數的寬度即可。
優點：精度高、價格較低、功耗較低。
缺點：類似於積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100～300SPS。
5．∑-Δ型ADC
∑-Δ轉換器又稱為過取樣轉換器，它採用增量編碼方式即根據前一量值與後一量值的差值的大 小來進行量化編碼。∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調製器和數字抽取濾波器。∑-Δ調製器主要完成訊號抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即 ∑-Δ碼；數字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高解析度的線性脈衝編碼調製的數字訊號。因此抽取濾波器實際上相當於一個碼型變換 器。
優點：解析度較高，高達24位；轉換速率高，高於積分型和壓頻變換型ADC；價格低；內部利用高倍頻過取樣技術，實現了數字濾波，降低了對感測器訊號進行濾波的要求。
缺點：高速∑-△型ADC的價格較高；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。
6．流水線型ADC
流水線結構ADC，又稱為子區式ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高解析度的模數轉換，並且具有令人滿意的低功率消耗和很小的晶片尺寸；經過合理的設計，還可以提供優異的動態特性。
流水線型ADC由若干級級聯電路組成，每一級包括一個取樣/保持放大器、一個低解析度的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的 級間放大器。快速精確的n位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成。首級電路的取樣/保持器對輸入訊號取樣後先由一個m位解析度粗A/D轉換器對輸入 進行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產生一個對應於量化結果的模/擬電平並送至求和電路，求和電路從輸入訊號中扣除此模擬電 平。並將差值精確放大某一固定增益後關交下一級電路處理。經過各級這樣的處理後，最後由一個較高精度的K位細A/D轉換器對殘餘訊號進行轉換。將上述各級 粗、細A/D的輸出組合起來即構成高精度的n位輸出。
優點：有良好的線性和低失調；可以同時對多個取樣進行處理，有較高的訊號處理速度，典型的為Tconv<100ns；低功率；高精度；高解析度；可以簡化電路。
缺點：基準電路和偏置結構過於複雜；輸入訊號需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲；對鎖存定時的要求嚴格；對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它引數。
目前，這種新型的ADC結構主要應用於對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、頻寬和瞬態相應速度等時域特性要求較高的CCD成像系統，對時域和頻域引數都要求較高的資料採集系統。