我们知道ADC最重要的三个指标是速度,精度和功耗。无论何种ADC,功耗当然是越低越好,同等性能下功耗越低,代表效率越高。
而速度精度则不是越高越好,而是要根据具体的应用来定。譬如心脏起搏器电路,一个很低速的ADC就能达到要求,实际设计了一个采样率为GHz的ADC,一者成本高,二者功耗也大,典型杀鸡用牛刀。
对信号进行处理存储传输等,是现代社会必备的环节,极大部分以上的工作是由数字电路来完成,所以将模拟信号转换成数字,也就成为了必须。那么可以这样说,有信号的地方,就需要集成电路,有集成电路的地方,大概率需要ADC。
可见ADC的应用是非常广泛的,下面根据精度速度的要求,ADC可以大体分成以下几类(但又不限于这几类)。
一是音频信号,它是对精度要求极高的一种应用。我们的耳朵,对于谐波失真和信噪比是非常敏感的,尤其是谐波信号,所以这类ADC的设计的SNDR至少要达到80dB以上。
一个段子是这样说的,要评价你设计的ADC好不好,可以让一个音乐家来听一下采用你的ADC的音响,如果他说没毛病,那你的ADC肯定是不错的。
再者是物联网,移动感知,生物感知等。这些包含的应用非常广泛,包括万物互联,车载芯片,生物监测等等。这一类应用涵盖的精度和速度要求很宽,但大体上来说,对精度和速度要求不高,因此很多种类的ADC都可以采用,SAR ADC是一个主要的结构。
对于中等速度,比较高的精度来说,集中在数字成像和医疗成像等应用。无线传输应用中,为了得到更小的延迟,对速度要求很高,精度可以略微的降低,譬如当下的5G以及正在发展的6G等。有线传输为了在极短时间内完成大量的数据传输,对速度要求极高。
可以看出一方面随着社会的发展,新需求不断被挖掘,对ADC性能的要求越来越高,另一方面来说,根据具体的应用需求,采用合适的结构,设计合理的指标,才会取得最高的性价比。
高精度和低功耗ADC一览
ADC设计是一个重要而又综合的设计,需要考虑诸多的因素,譬如工艺的选择,精度的要求,功耗的要求,速度的要求等等。而ADC家族又有很多种结构,所以在实际设计时,需要从设计要求和结构特点两方面入手来决定。
高精度ADC,在测量和仪器设备或者音频中有着广泛的应用,它们对信噪比和线性度有着极高的要求,如果精度不够,表现在应用时效果就会比较差。
上图是对各种的ADC的一个汇总,可见delta sigma ADC达到了最高的精度。我们知道delta sigma ADC分为连续型,离散型,增量型,适当的设计都可以达到很高的精度,而又属增量型delta sigma得到的精度最高。
流水线ADC虽然精度上比delta sigma差一点,但它能在达到比较高精度的同时,达到很高的速度,这是很大的优势。
SAR ADC一般来说的话,达到高精度或者高速度是比较困难的,但是采用了时间交织技术,仍然能达到很高的速度,以大的采样电容和高的功耗的代价,也能达到很高的精度。
图片均来自ISSCC2022
从功耗的角度,三种ADC都有各自的优势,SAR ADC在中低等精度下是能量效率最高的,流水线ADC则在中等精度下能量效率好,delta sigma ADC是在高精度下能量效率遥遥领先。需要指出的是,各种ADC之间的重叠是非常的大的,而且各种ADC混合,获得更好的综合性能也是一种趋势。
还有要说明的是,这是比较常见的ADC,当然还有各种各种的其它的架构,因为它们三个比较典型,所以进行讨论和比较。