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  一、模擬芯片概述

ADC就是模數轉換器。是將模擬量轉換成以二進制數值表示的離散信號的轉換器，簡稱A/D轉換器。DAC就是數模轉換器。將二進制數字量形式的離散信號轉換成以標準量(或參考量)為基準的模擬量的轉換器。簡稱D/A轉換器。

  二、ADC/DAC芯片

  1、數據轉換器主要分為模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)兩類：

●模數轉換器ADC：負責以連續(xù)的時間間隔測量信號電壓以獲取連續(xù)的模擬信號并將其轉換成數字信號的器件。通過ADC將多數無法被數字系統識別與處理的模擬信號轉換成數字信號，可以提高信號分析能力，實現更優(yōu)質的存儲方式和更精確的傳輸。一般適用于數字傳感器芯片、傳統封裝片、集成電路、SOC芯片等各類涉及數字處理的應用場景。

  ●數模轉換器DAC：負責將數字信號轉換成模擬信號的器件，主要特性指標包括分辨率、轉換速度、轉換誤差等，模數轉換器中一般都要用到數模轉換器，廣泛應用于各種數字系統中。

  2.ADC/DAC的主要參數

  ●分辨率:以輸出二進制(或十進制)數的位數來表示。位數越高，分辨率越高。例如7606是16位

  ●轉換速率:進行數據轉換的速率。用MSPS表示，數值約大，速度越快。7606的速率為125MSPS

  3、ADC/DAC芯片應用場景

  當前ADC芯片的下游需求主要集中在通信設備(35%以上)、汽車電子(22%)、工業(yè)(20%)、消費電子(10%)等領域。

  ●消費電子市場屬于低端ADC芯片，而高端芯片的市場包括有線/無線通信、汽車電子、軍工、工業(yè)、航空航天、醫(yī)療儀器等。

  ●根據Databeans統計，高端ADC芯片的單價是低端ADC芯片的數倍，比如高速率ADC占總出貨量不到10%，但是占據行業(yè)接近50%的銷售額。

●未來幾年支撐ADC芯片增長的主要驅動因素是5G、人工智能、物聯網、汽車電子等新興領域，這些領域所需的產品或技術對信號處理的需求(包括速度、精度、噪音等)增長迅速，不斷迭代更新。

  三、ADC/DAC芯片工作原理

  通常情況下，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。

  1、取樣和保持

  取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖1所示。圖(a)為取樣電路結構，其中，傳輸門受取樣信號S(t)控制，在S(t)的脈寬τ期間，傳輸門導通，輸出信號vO(t)為輸入信號v1,而在(Ts-τ)期間，傳輸門關閉，輸出信號vO(t)=0。電路中各信號波形如圖(b)所示。

圖1 取樣電路結構(a)

圖1 取樣電路中的信號波形(b)

  通過分析可以看到，取樣信號S(t)的頻率愈高，所取得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。但帶來的問題是數據量增大，為保證有合適的取樣頻率，它必須滿足取樣定理。

  取樣定理：設取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號v1(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs與fimax必須滿足下面的關系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

  將取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。

  取樣與保持過程往往是通過取樣-保持電路同時完成的。取樣-保持電路的原理圖及輸出波形如圖2所示。

圖2 取樣-保持電路原理圖

圖2 取樣-保持電路波形圖

  電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關驅動電路組成。電路中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減少對輸入信號源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應具有較高輸入阻抗，A2還應具有低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負載能力。一般還要求電路中AV1·AV2=1。

  現結合圖2來分析取樣-保持電路的工作原理。在t=t0時，開關S閉合，電容被迅速充電，由于AV1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1時間間隔內是取樣階段。在t=t1時刻S斷開。若A2的輸入阻抗為無窮大、S為理想開關，這樣可認為電容CH沒有放電回路，其兩端電壓保持為v0不變，圖11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持階段。

  取樣-保持電路以由多種型號的單片集成電路產品。如雙極型工藝的有AD585、AD684;混合型工藝的有AD1154、SHC76等。

  2、量化與編碼

  數字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個數字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數量單位的整數倍。為將模擬信號轉換為數字量，在A/D轉換過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應的離散電平上，這一轉化過程稱為數值量化，簡稱量化。量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。

  量化過程中所取最小數量單位稱為量化單位，用△表示。它是數字信號最低位為1時所對應的模擬量，即1LSB。

  在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D 轉換器的位數越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

  量化過程常采用兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

  (1)、只舍不入量化方式

  以3位A/D轉換器為例，設輸入信號v1的變化范圍為0～8V，采用只舍不入量化方式時，取△=1V，量化中不足量化單位部分舍棄，如數值在0～1V之間的模擬電壓都當作0△，用二進制數000表示，而數值在1～2V之間的模擬電壓都當作1△，用二進制數001表示……這種量化方式的最大誤差為△。

  (2)、四舍五入量化方式

  如采用四舍五入量化方式，則取量化單位△=8V/15，量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。它將數值在0～8V/15之間的模擬電壓都當作0△對待，用二進制000表示，而數值在8V/15～24V/15之間的模擬電壓均當作1△，用二進制數001表示等。

  3、比較

  采用前一種只舍不入量化方式最大量化誤差│εmax│=1LSB,而采用后一種有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化誤差比前者小，故為多數A/D轉換器所采用。

  隨著集成電路的飛速發(fā)展，A/D轉換器的新設計思想和制造技術層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制需要而設計的結構不同、性能各異的A/D轉換器應運而生。