A/D 和D/A �(zhuǎn)換器亦常稱為�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器, 它是一種模擬和�(shù)字混合信息處理電路。隨著集成技�(shù)的發(fā)�, 其中的模擬信號處理部分的集成模擬元件�(shù)最多的已減少到百分之二, �芯片面積也縮小到百分之二� , 但無論如何它總不失為模擬集成電路大家族中的重要一��
自電子管A/D �(zhuǎn)換器面世以后, 又經(jīng)歷了分立半導體� 集成電路�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器的發(fā)展歷�。在集成技�(shù)�, �(fā)展了模塊� 混合和單片集成數(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器技�(shù)� �(jīng)歷幾十年的發(fā)�,電路設計技�(shù)� 工藝制作技�(shù)都得到了很大改�, �(chǎn)品性能水平得到了極大提�。A/D和D/A �(zhuǎn)換器應用廣泛, 但不同的應用對A/D 和D/A �(zhuǎn)換器的性能要求不同。醫(yī)療成像系�(tǒng)需要速度和分辨能力都高的A/D�(zhuǎn)換器, 以滿足實際系�(tǒng)(如血液分析儀)的轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精�; 雷達� 聲納� �(shù)字通訊系統(tǒng)以及�(shù)字示波器和頻譜分析儀的前端也都需要高�� 高分辨率的A/D 和D/A �(zhuǎn)換器� 另外, 一般成像系�(tǒng)還需要轉(zhuǎn)換器具有極好的微分線性度和低噪聲, 雷達和聲納系�(tǒng)還需要很高的無假信號的動�(tài)范圍, �(shù)字通訊需要很低的互調(diào)失真, 等等� 所�, 模塊� 混合和單片集成轉(zhuǎn)換器齊頭�(fā)�, 互相�(fā)揮優(yōu)�, 互相彌補不足, 開發(fā)了適應不同應用要求的A/D 和D/A �(zhuǎn)換器。近年來, �(zhuǎn)換器�(chǎn)品都在數(shù)千種之上。據(jù)1997 年D. A. T. A. D i2gest In terface In tegrated Circu it s 不完全統(tǒng)�,A/D �(zhuǎn)換器�4� 6� 7� 8� 9� 10� 11� 12� 13�14� 15� 16� 18� 20� 24 位分辨率(實際已有 26位產(chǎn)�) , �4753 種產(chǎn)�, 其中滿足軍用溫度范圍(- 55 ° C� + 125 ° C)的產(chǎn)品有1417 �,滿足M I L 2883 標準的產(chǎn)品有 321 �, 模塊175 �。D/A �(zhuǎn)換器� 4� 6� 7� 8� 9� 10� 11�12� 13� 14� 15� 16� 17� 18 等位分辨�(實際已有 24 位分辨率�(chǎn)�) , � 5981 種產(chǎn)�, 其中滿足軍溫范圍的產(chǎn)�1270 �, 滿足M I L 2883標準的產(chǎn)�440 ��
1 電路設計技�(shù)在A/D �(zhuǎn)換器的電路設計中, 最通用的基本設計技�(shù)是計�(shù)�(又稱斜坡�)電路�(jié)�(gòu)� 逐次比較(SAR )電路�(jié)�(gòu)� 閃爍(F lash)電路�(jié)�(gòu)(常稱為全并行�(jié)�(gòu))。其中計�(shù)式電路結(jié)�(gòu)的A/D �(zhuǎn)換器的速度最�, 但電路結(jié)�(gòu)簡單, 它只用一個比較器, 適用于轉(zhuǎn)換速度要求不高的應�。F lash 電路�(jié)�(gòu)的A/D�(zhuǎn)換器的速度最�, 但電路結(jié)�(gòu)最復雜, 它需� 2n- 1 個比較器, 適用� 9 位分辨率以下的高速A/D �(zhuǎn)換器設計, 其采樣率可高�500MHz 以上, 滿功率輸入帶寬可大于 300MHz。SAR �(jié)�(gòu)A/D �(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度高于計數(shù)式A/D �(zhuǎn)換器, 但又低于f lash A/D�(zhuǎn)換器, 其電路結(jié)�(gòu)的復雜性適�, 是采樣率� 1MHz 以內(nèi)的A/D �(zhuǎn)換器應用最多� 最普遍的一種電路設計結(jié)�(gòu)。積分型電路�(jié)�(gòu)是一種特殊類型的電路設計, 這種�(jié)�(gòu)又分為單斜率�� 雙斜率式和四斜率�� 這種�(jié)�(gòu)主要用于非常低的頻率和近似直流信號的場合, 如數(shù)字電壓表�
近年�, 對高速A/D �(zhuǎn)換器的研究最為活�, 在基本的 Falsh 電路�(jié)�(gòu)基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了一些改進結(jié)�(gòu), 如分區(qū)式或分級(Sub2ranging )電路�(jié)�(gòu)(又稱� half2 f lash �(jié)�(gòu)、或 P i pelined� 或M u lt istage �(jié)�(gòu)� 或M u lt i2step �(jié)�(gòu))。實際上, 它們是由多個F lash 電路�(jié)�(gòu)與其它功能電路不同形式的組合而成的電路結(jié)�(gòu), 可彌補基� f lash 電路�(jié)�(gòu)的缺�, 是實�(xiàn)高�� 高分辨率A/D �(zhuǎn)換器的優(yōu)良電路設計技�(shù)。這種�(jié)�(gòu)在逐步取代歷史悠久的SAR 和積分型�(jié)�(gòu)� 另外還有一類每級一�(b it2 per2stage)電路�(jié)�(gòu), 在它的基�(chǔ)上進一步改�, 得到一種稱為Fo lding (折疊�) 的電路結(jié)�(gòu) (又稱為M ag Amp s �(jié)�(gòu)) , 這是一� Gray 碼串行輸出結(jié)�(gòu)。這些電路設計技�(shù)為高速� 高分辨率的高性能A/D �(zhuǎn)換器的發(fā)展起到了積極的推動作用�
另外, 高分辨率A/D �(zhuǎn)換器電路設計�, 2 2$ 電路�(jié)�(gòu)是目前很流行的一種電路設計技�(shù)。這種電路�(jié)�(gòu)不僅在高分辨率低速或中速A/D �(zhuǎn)換器方面將逐步取代SAR和積分型電路�(jié)�(gòu), 而且這種�(jié)�(gòu)同流水線�(jié)�(gòu)相結(jié)�, 有望實現(xiàn)高分辨率� 高速A/D�(zhuǎn)換器�
在D/A �(zhuǎn)換器電路�(jié)�(gòu)方面, 主要有線性組合式D/A �(zhuǎn)換器�(jié)�(gòu)� R22R D/A �(zhuǎn)換器�(jié)�(gòu)� 乘法型D/A �(zhuǎn)換器�(jié)�(gòu)及電流加�(quán)D/A �(zhuǎn)換器�(jié)�(gòu)。這些�(jié)�(gòu)是早已成熟的�(jié)�(gòu), 近些年在D/A �(zhuǎn)換器電路�(jié)�(gòu)方面沒有太大的變�, 而且對D/A �(zhuǎn)換器的研究報告也相對較少�
2 工藝技�(shù)單片集成電路的工藝技�(shù)主要有雙極工�� CMO S 工藝以及雙極和CMO S 相結(jié)合的B iCMO S 工藝。其中雙極工藝是線性集成電路的主流制作工藝, CMO S 工藝是數(shù)字集成電路的主流制作工藝, 而B iCMO S 工藝是否是具有線性和�(shù)字混合信號處理的A/D �(zhuǎn)換器的主流制作工藝呢?至少目前還不�� 因為采用雙極� CMO S 和B iCMO S 工藝的一些水平較高的的A/D �(zhuǎn)換器制作廠家分別制作出了性能�(yōu)良的A/D �(zhuǎn)換器。另�, 在微細加工尺寸方�, 雖然已有一些半亞微米或亞半微米的A/D �(zhuǎn)換器�(chǎn)品出�(xiàn), 但是大多�(shù)高性能�(chǎn)品的微細加工技�(shù)仍處� 1 L m上下的水平。數(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器�(chǎn)品的性能水平不單是與工藝水平有關(guān), 更重要的是它還與電路設計技�(shù)密切相關(guān)。先進的電路設計�??梢栽谙嘟墓に囁较芦@得性能水平更先進的�(chǎn)品。因�, 由于電路設計者的努力, 這幾種工藝技�(shù)在數(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器的制作中至今尚未分出高低�
�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器品種繁多, 技�(shù)不盡相同, 下面以A/D �(zhuǎn)換器為例, 從不同角度簡述其�(fā)展動�(tài)�
1 通用�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器
全面表征A/D 和D/A �(zhuǎn)換器的性能參數(shù)多達�(shù)十項甚至上百�。制造廠家常常針對專門的應用對象側(cè)重于滿足少數(shù)主要參數(shù)要求去設計和制作。所�,A/D 和D/A �(zhuǎn)換器曾是典型的專用模擬集成電�。隨著設計技�(shù)不斷改進和工藝技�(shù)的發(fā)�, 一些先進制作廠家的�(chǎn)品也不斷擴大應用�
隨著CMO S 技�(shù)在通用�(zhuǎn)換器中的廣泛應用, 使多�(shù)通用�(zhuǎn)換器�(nèi)部電路結(jié)�(gòu)增加了帶校正功能的開�(guān)電容� SAR� S/H 電路� 模擬多路開關(guān)等功能電�。因�, 這種器件實質(zhì)上已成為一種子系統(tǒng), 功能日臻完善,且有差分輸入、低功耗、小尺寸 8 引出端SO IC, 甚至更小的封�, 使用方便, 價格低廉, 比混合和模塊型產(chǎn)品更具優(yōu)�, 面世不久便很快占�(lǐng)了整個低功耗轉(zhuǎn)換器市場�
2 高分辨率高速轉(zhuǎn)換器
隨著傳感器和微處理器的數(shù)�(jù)處理及管理能力的提高,A/D �(zhuǎn)換器已成為傳感器和微處理器之間的薄弱�(huán)節(jié), 對高速高分辨率A/D �(zhuǎn)換器的需求日益增�。這種需求最初來源于軍事系統(tǒng)應用�(lǐng)�, 不久以后, 在工�(yè)應用�(lǐng)域也提出同樣要求, 因而迅速推動著高速高分辨率A/D �(zhuǎn)換器的發(fā)�� 單片形式�50� 500MHz 6� 8 位F lash A/D �(zhuǎn)換器上市�, 很快引起了用戶對 10� 16 � 2� 3MHz 以上速度的A/D �(zhuǎn)換器的需��
3 低功耗轉(zhuǎn)換器
�(xiàn)代電子系�(tǒng), 特別是航空航天以及袖珍和便攜式電子設備均要求所用電子器件要進一步降低功�, 這對采樣率在 1MHz 以上的高速轉(zhuǎn)換器而言, 意味著要在更小的功率下以更快的速度完成信號�(zhuǎn)換工�, 即高效率地工�。功�� 速度� 分辨率等綜合性能的實�(xiàn)給轉(zhuǎn)換器的制作者帶來新的技�(shù)課題,也對尋求如何評價�(zhuǎn)換器的水平提出迫切需��
近年�, �(zhuǎn)換器的主要目標是�(yī)�(超聲� 成像)� 通訊� 掃描及其它成像應�。這些應用至少需� 10 � 14 位分辨率� 5 � 40MHz 采樣�� 功耗盡可能低的�(zhuǎn)換器, 以便適用于電池供電的袖珍�, 或諸如桌上掃描儀� 電視攝像機之類的便攜式設��
4 多路A/D �(zhuǎn)換器
許多�(xiàn)代化電子系統(tǒng)在工作過程中需要同時采集多路輸入信�, 因而促進了多路A/D �(zhuǎn)換器的快速發(fā)�� 目前, 多路信號輸入的轉(zhuǎn)換器已發(fā)展到同單路輸入的�(zhuǎn)換器一�,可實�(xiàn)高�� 低功耗� 低價格和小型封裝, 并已逐步成為通用器件�
5 其他�(zhuǎn)換器
新一代先進的電子�(zhàn)� 雷達和通訊電子系統(tǒng)的設計目�, 將需� 16 � 100� 200MHz � 8� 10 � 10 GHz 的高性能A/D �(zhuǎn)換器。雖然以硅為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器性能得到了極大提�, 但其�(fā)展速度仍趕不上應用需�,因而在深入研究硅技�(shù)的同時還對其他新材料� 新技�(shù)�(zhuǎn)換器進行了廣泛探�, 如以硅為基礎(chǔ)的SiGe 異質(zhì)�(jié)技�(shù)� GaA s 技�(shù)和其它化合物半導體異�(zhì)�(jié)技�(shù)以及光學�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器技�(shù)�
A/D 和D/A �(zhuǎn)換器的主要發(fā)展趨勢是, 單片集成以硅為主導發(fā)展技�(shù), 加速以硅為基礎(chǔ)的異�(zhì)�(jié)技�(shù)的發(fā)�; 混合和模塊集成A/D 和D/A �(zhuǎn)換器是軍�/航天系統(tǒng)的主導產(chǎn)�, 將與硅芯片技�(shù)并行�(fā)�, 而且須建立在先進的芯片技�(shù)基礎(chǔ)之上; 低電源低功�� 高速高精度A/D 和D/A �(zhuǎn)換器是主導發(fā)展產(chǎn)�, 其中 16 � 100� 200MHz � 8� 10 � 10 GHz 的高性能A/D �(zhuǎn)換器是新一代先進雷�� 電子�(zhàn)和通訊電子系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一, 它們是重點�(fā)展目�; 目前已有工藝技�(shù)能滿足目標產(chǎn)品的制作, 如化合物半導體異�(zhì)�(jié)技�(shù), 其晶體管的f t 已大�50 GHz; 工藝技�(shù)�, 雙極(特別是異�(zhì)�(jié)雙極)� CMO S� B iCMO S 將并行發(fā)�, 加工尺寸已發(fā)展到半亞微米和亞半微�, 并將繼續(xù)向縱深發(fā)��