金手套 ADC 錦標賽――SAR 迎戰

一邊是當前流行的SAR ADC，另一邊是相對較新的模數轉換技術(shù)∑△ADC，二者比拼的結果會(huì )是如何呢？

我們要進(jìn)行七輪角逐，在這七輪中將分別就以下分類(lèi)項目打分：

1 轉換準確性

2 轉換速度

3 攻擊線(xiàn)性

4 高低壓側轉換準確性

5 差動(dòng)非線(xiàn)性

6 積分非線(xiàn)性

7 量化誤差

人們已經(jīng)對兩種技術(shù)的比拼等待了很長(cháng)時(shí)間。SAR ADC 和它的新近挑戰技術(shù)終于能夠進(jìn)行一對一的比拼了。誰(shuí)能最終獲勝呢？SAR ADC 的特點(diǎn)是體形較大（采樣和保持電路），速度較快，決定性較弱；而∑△ADC 則屬于輕量級選手，其采用了集成電路以及科學(xué)的方法和準確的思考進(jìn)程。

圖 1：∑△ 和 SAR 拓撲

圖中文字：integrator：積分器
comparator：比較器
digital filter：數字濾波器
clock：時(shí)鐘

第一輪：轉換準確性

準確性是由增益誤差和非線(xiàn)性決定的。我們在這一輪在討論的是增益誤差，非線(xiàn)性問(wèn)題將在第五輪和第六輪比拼中討論。

增益誤差有兩種?？潭?(scale) 信號誤差是由參照差異以及輸入和 ADC 之間增益通道的差異造成的，誤差的大小與信號強弱相關(guān)。偏置誤差是由輸入放大器中的輸入器件以及 ADC 積分電路／比較器中使用的運算放大器造成的。

我們在圖 1 中可看到∑△的調制器（積分器、比較器和 1 位 DAC）和數字濾波器。∑△ADC 可在其前端包含可選的增益放大器。改變放大器的增益會(huì )改變輸入采樣電容的大小。由于采樣電容存在差異，因此增益不會(huì )是絕對精確的，需要 ADC 校準。為了糾正偏置和增益誤差，我們要根據零轉換、正滿(mǎn)刻度轉換和負滿(mǎn)刻度轉換結果獲得校準因數。

另一方面，SAR ADC 的轉換準確性取決于電壓參照、內部 DAC 和比較器。ADC 的內部 DAC 和比較器的準確性應和整體系統一樣，任何的不準確都會(huì )導致線(xiàn)性誤差，而這是校準所不能解決的。

在第一輪中，∑△ADC因其自身的單調性而勝出。

第二輪：轉換速度

∑△轉換器需要 2ⁿ 個(gè)采樣來(lái)完成轉換，因此轉換速度取決于轉換器的分辨率。分辨率越高，需要的轉換時(shí)間就越長(cháng)。數字音頻設備通常使用的傳統∑△轉換器帶寬約 22kHz。近期，帶寬達 1MHz ~ 2MHz、分辨率達 12 ~ 20 位的∑△轉換器已經(jīng)上市，這些轉換器通常包含四級（乃至更高）∑△調制器，而且支持多位反饋 DAC。

在SAR ADC 轉換周期開(kāi)始時(shí)，DAC 設為半刻度，并對待測電壓和 DAC 輸出進(jìn)行比較。DAC 在每一步進(jìn)中都進(jìn)行更新，選擇下一位并進(jìn)行比較。我們通過(guò)二進(jìn)制搜索（“逐次逼近”）來(lái)發(fā)現輸入電壓的數字形式。

SAR ADC在第二輪中因其轉換算法實(shí)際速度較高而勝出。

第三輪：攻擊線(xiàn)性

差動(dòng)非線(xiàn)性 (DNL) 和積分非線(xiàn)性 (INL) 這兩種形式的非線(xiàn)性都取決于拓撲和轉換器的構造。DNL 和 INL 誤差不能像增益和偏置誤差一樣通過(guò)校準解決。

∑△ADC 的準確性取決于積分電路／比較器中運算放大器的穩定性。如果調制器切換太快，而運算放大器不能保持同步，則會(huì )出現非線(xiàn)性問(wèn)題。

不管分辨率達到多少位，∑△ADC 本身都是單調性的。其性能是固定的，并不取決于具體的組件值或組件匹配。

就 SAR ADC 而言，線(xiàn)性誤差是由內部 DAC 和比較器的準確性不高造成的。線(xiàn)性誤差是 SAR 設計的副效應。

第三輪的勝出者是∑△ADC。

第四輪：高低壓側的轉換準確性

∑△轉換器提高了特定輸出代碼的非線(xiàn)性，這取決于抽取器中所用的 FIR 濾波器。這種非線(xiàn)性主要出現在刻度端點(diǎn)上。端點(diǎn)非線(xiàn)性對持續數據流（如數字音頻）不構成問(wèn)題，但系統如果需要軌到軌線(xiàn)性檢測，則不應使用 ∑△轉換器。

SAR ADC 不會(huì )出現較大的∑△轉換器高低壓側端點(diǎn)不準確性問(wèn)題。其端點(diǎn)準確性取決于內部 DAC 和比較器的軌到軌跟蹤（電壓合規）。

SAR ADC在第四輪在因其高低壓側的準確度較高而勝出。

第五輪：差動(dòng)非線(xiàn)性

差動(dòng)非線(xiàn)性誤差是指實(shí)際步進(jìn)和 1 LSB 理想值之間的差異。因此，如果步長(cháng)或高剛好為 1 LSB，那么差動(dòng)非線(xiàn)性誤差就為零。如果 DNL 超過(guò) 1 LSB，則轉換器可能是非單片的，這就意味著(zhù)輸出強度會(huì )下降，而輸入強度上升。在 ADC 中，也可能出現丟失代碼的問(wèn)題，如一個(gè)或多個(gè) 2n 二進(jìn)制代碼無(wú)法輸出。

不管分辨率達到多少位，∑△ADC本身都是單調性的。其性能是固定的，并不取決于具體的組件值或組件匹配。

SAR ADC 本身不是單調性的，其性能取決于具體的組件值或組件匹配。

第五輪的勝出者是∑△ADC。