阿德诺半导体详解数据转换器技术与应用

【导读】近日，阿德诺半导体公司(ADI)深圳媒体培训交流会第二季在深圳召开，ADI现场应用经理章新明(Eagle Zhang)、技术业务经理张松刚(Singer Zhang)分别主讲了“高精度数据转换器原理以及精确技术指标对系统的影响”和“数据转换器在工业与仪器仪表领域的应用实例”两个部分。

摘要：  近日，阿德诺半导体公司(ADI)深圳媒体培训交流会第二季在深圳召开，ADI现场应用经理章新明(Eagle Zhang)、技术业务经理张松刚(Singer Zhang)分别主讲了“高精度数据转换器原理以及精确技术指标对系统的影响”和“数据转换器在工业与仪器仪表领域的应用实例”两个部分。

关键字：  半导体，  ADI，  数据转换器，  技术指标，  应用实例

近日，阿德诺半导体公司(ADI)深圳媒体培训交流会第二季在深圳召开，ADI现场应用经理章新明(Eagle Zhang)、技术业务经理张松刚(Singer Zhang)分别主讲了“高精度数据转换器原理以及精确技术指标对系统的影响”和“数据转换器在工业与仪器仪表领域的应用实例”两个部分。

SAR ADC的结构、特性与重要指标

ADI技术专家章新明首先讲解有关逐次逼近型ADC(SAR ADC)基础知识，包括逐次逼近型模数转换器的架构、算法、工作原理、逐次逼近型寄存器ADC的特点，以及转换器的高级规格，包括ADC和DAC的重要直流规格、分辨率、增益误差、失调误差、微分非线性(DNL)、积分非线性(INL)等性能参数的概念和校正方法。

与Σ-Δ型ADC不同，SAR ADC是由一个比较器和DAC通过逐次比较逻辑构成，其转换技术类似于利用一个天平将一个样本与一系列重量经过校准的测试样本进行比较，通过增减测试样本，利用分辨率误差最小并轻于样本的测试样本来估算样本的重量。其工作过程是从最大值MSB开始，按顺序地对每一位输入信号(VIN)与内置高分辨率DAC输出进行比较，经n次比较而输出数字值。

逐次逼近型寄存器ADC的特点(优缺点)：1.逐次逼近型寄存器ADC结构简单。它使用低压CMOS (<3V)，支持低功耗工作;2.常用于商业/工业及相关应用。中等分辨率(12 至16 位);中等速度(100 kHz 至1 MHz);3.ADC线性度高度依赖于内部DAC的精度。如果内部DAC不是单调递增，那么ADC本身就会存在失码。

判断ADC和DAC的性能，主要指标包括如下六个：分辨率、增益误差、失调误差、微分非线性(DNL)误差、积分非线性(INL)误差和失码。增益误差和失调误差，类似于运算放大器误差。失调误差会引起输入/输出关系在水平方向发生偏移，而增益误差会引起输入/输出关系发生旋转偏移。失调误差和增益误差均可消除。

除了分辨率或精度问题，另外两个重要的静态性能还包括微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)。DNL和INL是两个重要的直流指标，其测量方法主要是快速傅里叶变换。ADC的交流指标包括：信噪比(SNR)/信纳比(SINAD)、有效位数(ENOB)、全功率带宽(FPBW)、采样时钟抖动、高频失真(THD)、交调失真(IMD)和无杂散动态范围(SFDR)。其中，信纳比和无杂散动态范围是最重要的两个指标。

数据转换器是信号处理必不可少的组成部分，在工业自动化领域，运动控制和过程控制都离不开数据转换器。对于运动控制而言，电机运行的速度非常快，宜选用SAR ADC进行数据转换;而对于慢速的过程控制，则通常选用Σ-Δ ADC来实现。对于电机控制，一般12位ADC就能满足要求;对于电力系统智能电表的应用，则会用到14位、16位的ADC(电表动态范围为4000:1(0.01Ib~40Ib)时，12位精度是要求的底线)。