ADC及DAC的歷史進(jìn)程概況

本文以ADC的分辨率及采樣頻率，超高速、高性能DAC，便攜式的需要，AV系統(tǒng)中的ADC及DAC及微系統(tǒng)這幾個方面介紹ADC及DAC的一些發(fā)展概況，并介紹TI公司、ADI公司及MAXIM公司的一些ADC及DAC新器件。

ADC 及DAC器件的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用是與數(shù)字技術(shù)發(fā)展分不開的； 另外，與微處理器（μP）、數(shù)字信號處理器（DSP）及PC的發(fā)展、普及及應(yīng)用有極大的關(guān)系。過去，ADC及DAC主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)過程控 制、測量及分析等領(lǐng)域。近年來，數(shù)字技術(shù)進(jìn)入音頻及視頻領(lǐng)域，特別是CD、VCD、DVD及家庭影院進(jìn)入百姓家，各種便攜式播放機(jī)（MP3、MD）更為年 輕人青睞；無線數(shù)字通信（如手機(jī)）發(fā)展神速，數(shù)碼相機(jī)有取代傳統(tǒng)相機(jī)的趨勢，車載數(shù)字音響也不斷增加?？傊瑪?shù)字技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，使 ADC及DAC器件也相應(yīng)獲得較快的發(fā)展與進(jìn)步。這體現(xiàn)在性能不斷提高、滿足便攜式的需要及價位不斷降低。另外，ADC的集成度越來越高，已開發(fā)出高性能 的智能ADC。

ADC的分辨率及采樣頻率
ADC的性能參數(shù)較多，但其中最主要的是分辨率及采樣頻率。近年來，各生產(chǎn)廠家不斷地為提高這些性能參數(shù)而努力，現(xiàn)在采樣頻率上有較大的提高。表1列出了目前主要應(yīng)用的ADC能達(dá)到的分辨率（用位來表示）及采樣頻率。
與2000 年的同樣參數(shù)比較：逐次逼近型ADC的分辨率由16位上升到18位，采樣頻率也由幾百Ksps上升到幾Msps；Σ～Δ型雖然在分辨率沒有提高，但在采樣 頻率上有較高的增長。據(jù)資料介紹，在2000年的Σ～Δ型的采樣頻率為幾～幾十Ksps，而2004年的Σ～Δ型在20位分辨率時其采樣頻率已達(dá)到 2.5Msps。
分辨率與采樣頻率之間是一對矛盾，要提高采樣頻率往往要降低分辨率。例如，Σ～Δ型高速ADC可達(dá)5Msps,但其分辨率僅16位；Σ～Δ型可做到分辨率為24位，但其采樣頻率一般不到200Ksps。這里介紹四種高速ADC的新產(chǎn)品，可了解目前高速ADC的水平。

1. AD7641(ADI公司)
AD7641 是18位分辨率、2Msps采樣頻率的逐次逼近型（SAR）ADC。其主要特點：18位無失碼分辨率；無流水線延遲； 差動輸入范圍到±VREF(VREF=2.5V)；INL±2LSB(典型值)；在100kHz時S/(N+D)為93dB（典型值）；在100kHz 時，THD為-100dB（典型值）；數(shù)據(jù)輸出速度最大值2Msps；并行口（18、16或8位總線）；串行5V、3.3V、2.5V接口； SPI/QSPI/DSP兼容；片內(nèi)有帶緩沖器的低漂移基準(zhǔn)電壓源，并有溫度傳感器；單電源2.5V供電；在2Msps速度時功耗典型值為100mW；有 撣電模式（Power-down Mode）；48引腳LQFP封裝。
該器件主要應(yīng)用于醫(yī)療儀器、高動態(tài)數(shù)據(jù)采集、光譜分析及自動測試測儀器（ATE）等。

2. AD7760（ADI公司）
AD7760 是一種20位分辨率、2.5Msps采樣頻率的Σ～Δ型ADC。其主要特點：在78kHz數(shù)據(jù)輸出速率時，SNR為118dB；在2.5MHz數(shù)據(jù)輸出速 率時，SNR為100dB；可編程過采樣速率（8X～256X）；靈活的并行口；全差動調(diào)制器輸入；芯片上有用于信號緩沖的差動放大器；有用戶可編程的低 通FIR濾波器；有過量程報警位；有數(shù)字失調(diào)及增益校正寄存器；有濾波器旁路模式；低功耗、并有掉電模式；借助于SYNC端可實現(xiàn)多個器件同步；64管腳 TQFP封裝及48管腳CSP封裝；工作溫度范圍～40℃～+85℃。
該ADC主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動分折、測試系統(tǒng)等。

3. MAX1209(MAXIM公司)
MAX1209 是12位分辨率、80Msps采樣頻率的流水線型（Pipeline）或稱為分級型ADC。其主要特點：直接中頻（IF）采樣至400MHz；極好的動態(tài) 性能：在FIN=70MHz/175 MHz時，SNR為68.0dB/66.5dB；在FIN=70MHz/175 MHz時，SFDR（無雜散動態(tài)范圍）為85.1dBc/85.5 dBc；3.3V低電源電壓工作時，功耗為366mW（單端時鐘模式），393mW（差動時鐘模式），3μW（掉電模式）；差動或單端時鐘；全差動或單端 模擬輸入；可調(diào)節(jié)全量程模擬輸入范圍：±0.35～±1.15V；共模基準(zhǔn)；CMOS兼容輸出為兩部分或格雷碼；數(shù)據(jù)有效指示器簡化了數(shù)字設(shè)計；有數(shù)據(jù)輸 出指示器；40引腳薄形QFN封裝。
該ADC主要應(yīng)用于IF通信接收機(jī)、蜂窩電話、起聲波及醫(yī)學(xué)上的成像、便攜式儀器及低功耗數(shù)據(jù)采集等。

4. MAX1274/75（MAXIM公司）
MAX1274/75 是12位、1.8Msps采樣頻率的低功耗ADC。其主要特點：高速SPI兼容，3線串行接口；輸入頻率為525kHz時，S/(N+D)為70dB；內(nèi) 有真差分跟蹤/保持器；無流水線延遲；功耗典型值45mW；關(guān)閉時最大耗電1μA；小尺寸12引腳TQFN封裝。
---該ADC主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、馬達(dá)控制、通信及便攜式儀器。MAX1274與MAX1275的差別是前者輸入是單極性，后者是雙極性。

超高速、高性能DAC
DAC的轉(zhuǎn)換速度一般用建立時間來表達(dá)（用μs或ns），也有的與ADC一樣用采樣速率來表達(dá)（用Ksps、Msps或Gsps）。超高速的DAC建立時間50ns；而用采樣速率表達(dá)時，其采樣速率>1Gsps。
ADI公司在2004年上半年發(fā)布了一種超高速、高性能的DAC新器件AD9736。這是一種14位分辨率、1.2Gsps采樣速率DAC ，并且具有超低噪聲、超低功耗及極佳的動態(tài)性能。
該DAC采用一種雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）方式以及快速LVDS輸入接口，使在寬帶下提供高轉(zhuǎn)換速度，并在高速接收數(shù)據(jù)的同時保持低的失真及低的噪聲。
AD9736 的主要性能：14位分辨率；1.2Gsps采樣速率；互調(diào)失真（IMD）優(yōu)于65dBc（在輸出頻率為600MHz時）；微分線性誤碼差（DNL）為± 1.0LSB；積分線性誤碼差（INL）為±2.0LSB；無雜散動態(tài)范圍（SFDR）在300MHz輸出頻率時為63dBc，在600MHz輸出頻率時 為53dBc；工作電壓1.8～3.3V；功耗典型值380mW，內(nèi)插式濾波器的功耗在內(nèi)時為550 mW；具有低壓差分信號（LVDS）數(shù)字接口；集成的2倍內(nèi)插帶通濾波器；輸出電流10～30mA范圍內(nèi)可編程。
由于它具有上述性能，它非常適合處理高頻和寬帶頻率合成信號。這些應(yīng)用包括：寬帶測試的測量儀器和儀表、自動測試設(shè)備（ATE）、雷達(dá)、航空電子設(shè)備、寬帶通信系統(tǒng)；蜂窩基站、點到點無線通信系統(tǒng)及本地多點分配業(yè)務(wù)（LMDS）等。

滿足便攜式的需要
便攜式個人醫(yī)療儀 器、隨身聽（CD、MP3、MD）、手機(jī)、PDA及數(shù)碼相機(jī)等大量上市，它要求小尺寸封裝（減小PCB的面積）、低工作電壓（減少電池數(shù)）及低功耗或微功 耗（延長電池的壽命）的ADC及DAC。為滿足這些需要，各公司開發(fā)出不少適用于便攜式的新器件。這里簡單地介紹一些例子。

1. ADS1100（TI公司）
ADS1100 是一種16位、內(nèi)有PGA、I2C串行接口、低噪聲的ADC。經(jīng)采用SOT～23～6的小尺寸封裝、工作電壓2.7～5.5V、工作電流90μA。其他特 點有：低噪聲（1LSB）；可編程數(shù)據(jù)速率可達(dá)240sps；I2C串行口可提供8個地址；內(nèi)有VREF的精度2.048V±0.05％，漂移5 ×10-6/℃。
該ADC主要應(yīng)用于便攜式儀表、手持式醫(yī)療設(shè)備、智能型發(fā)射機(jī)，也適用工業(yè)過程控制。

2. PCM1770/1771（TI公司）
PCM1770/1771 是一種低電壓、低功耗、小尺寸封裝的立體聲DAC。它最低工作電壓為1.6V，在VHP=2.4V時，功耗為9.6mW，采用小尺寸VQFN封裝 （4.2mm×4.2mm）。其他特點有：動態(tài)范圍96dB（典型值）；THD+N為0.032％（典型值）；輸出功率（16Ω）為10mW（立體聲）、 20mW（單聲道）；采樣頻率5kHz～50kHz；數(shù)字衰減：4.41kHz數(shù)字去加重、數(shù)字靜音控制、無爆破聲電路。
該DAC主要應(yīng)用于便攜式播放機(jī)、手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)、便攜式CD播放機(jī)及自動選曲機(jī)等。、

3. AD5060及AD5660（ADI公司）
AD5060 及AD5660是兩種8引腳SOT～23封裝（2.9mm×2.8mm）的DAC。與同類產(chǎn)品相比較，其面積約小了45％。AD5060的特點是 14～16位分辨率；INL最大值為1LSB；內(nèi)有輸出緩沖放大器。AD 5660的特點是有12、14、16位分辨率；內(nèi)有輸出緩沖放大器及溫漂最大值為10×10-6/℃的電壓基準(zhǔn)。
該DAC適用于模擬輸入輸出卡、數(shù)據(jù)采集卡、測試設(shè)備及工業(yè)控制系統(tǒng)等。

4. MAX5521（MAXIM公司）
MAX5521 是低電壓、超低功耗、小尺寸封裝的10位電壓輸出DAC。其主要特點：最低工作電壓1.8V；工作電流僅需6μA；有關(guān)閉模式，在此模式時耗電最大值 0.18μA；小尺寸12引腳QFN封裝（4mm×4mm）；內(nèi)有輸出滿幅值的緩沖器；內(nèi)有可輸出8mA的基準(zhǔn)電壓源；快速16MHz三線 SPI/QSPI/MICRWIRE兼容串行接口；帶有滯后的TTL及CMOS兼容的數(shù)字輸入；在上電時無尖脈沖輸出。

該DAC適用于各種電池供電的便攜式儀器、儀表。
這里要指出的是，器件的功耗與其功能、性能有關(guān)，要比較其功耗的大小，必須在功能、性能相似或在同樣工作電壓條件下（若以工作電流表示其功耗大小時）相比較才有意義。

AV系統(tǒng)中的ADC及DAC



CD、 VCD、DVD及家庭影院的發(fā)展、便攜式隨身聽（MP3、MD）的普及及微型組合音響和車載音頻系統(tǒng)都采用高性能的數(shù)字式，ADC及DAC在現(xiàn)代音頻系統(tǒng) 中的應(yīng)用如圖1所示，為滿足這些產(chǎn)品要求開發(fā)出許多新型ADC及DAC，其中DAC占大多數(shù)。這里介紹TI公司一些典型DAC。它們有高的分辨率（24 位）以獲得寬的動態(tài)范圍，并且有高的SNR及低的THD。有一些24位的低價DAC主要應(yīng)用于數(shù)字音量控制。

1. DSD1608（TI公司）
DSD1608 是一種低價位、八通道PCM/DSD兼容型DAC。其主要特點：數(shù)據(jù)字長為16/18/20/24位（PCM），直接流（DSD）；采樣率（fs）高達(dá) 192kHz（PCM格式）/2.8224MHz（DSD格式）；八通道單端電壓輸出；系統(tǒng)時鐘：128/192/256/384/512/768fs （DSD）；模擬性能（Vcc=5V、PCM/DSD模式）：DYR為105dB；THD+N為0.002%；全標(biāo)度輸出：4.0Vp-p；內(nèi)置8倍過采 樣數(shù)字濾波器（僅PCM格式）；52引腳TQFP封裝。
該DAC主要應(yīng)用于通用AV播放機(jī)，超級音頻播放機(jī)。

2．PCM1738（TI公司）
PCM1738 是一種高性能立體聲DAC，采用新開發(fā)的高級段DAC架構(gòu)，具有極佳的動態(tài)性能并提高對時鐘抖動的容限。主要特點：24位分辨率；采樣頻率192kHz； THD+N=0.0004%；DYR/SNR為117dB；差分電流輸出（±2.5mA）；有192kHz的8倍過采樣數(shù)字濾波器；系統(tǒng)時鐘： 128/192/256/384/512/768fs自動檢測；具有DF直流模式，具有DSD模式；雙3.3V電源（數(shù)字用）、5V（模擬用）；28引腳 SSOP封裝。
該DAC主要應(yīng)用于AV接收機(jī)、超級音頻CD播放機(jī)、DVD播放機(jī)等。

2. PCM1753/54/55（TI公司）
PCM1753/54/55 是一種立體聲192kHz、24位DAC。其主要特點：DYR為106dB；THD+N為0.002%；4倍/8倍過采樣數(shù)字濾波器；阻帶衰減為- 50dB；陡滾降/慢滾降可選；系統(tǒng)時鐘12V 256/384/512/768fs自動檢測；PCM1753、PC1755為軟件控制，PCM1754為硬件控制；16引腳SSOP小外形封裝。
該DAC主要應(yīng)用于AV接收機(jī)、汽車音響系統(tǒng)，個人音頻應(yīng)用等。

3. TLV320AIC26（TI公司）
TLV320AIC26 是具有頭戴式耳機(jī)/揚聲機(jī)放大器和12位電池/溫度/輔助ADC的高性能、低功耗音頻編解器。其主要特點：立體聲音頻DAC和單聲道音頻DAC支持 48Ksps的速率；高品質(zhì)97dB立體聲音頻重放；傳聲器前置放大器和硬件自動增益控制；可為8Ω負(fù)載提供330mW輸出功率，并可供立體聲頭戴耳機(jī)； 低功耗（11mW）；可編程數(shù)字音頻低音/高音/均衡/去加重處理；輸入電壓可達(dá)6V；有片上溫度和輔助輸入測量。
該器件主要應(yīng)用于蜂窩電話和智能型電話、PDA、MP3播放機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

微系統(tǒng)
微系統(tǒng)（Micro System）或稱為片內(nèi)系統(tǒng)（System on chip）是一種把許多外圍器件（模擬器件和數(shù)字器件）集成在ADC芯片上。這不僅減少外圍元器件的數(shù)量、減小印制板的空間、提高可靠性，并且可縮短系統(tǒng) 開發(fā)時間、簡化接口，容易滿足用戶的特定要求。
微系統(tǒng)芯片上可集成的模擬器件 有：ADC、DAC、多路轉(zhuǎn)換器、可選緩沖輸入、補償DAC、PGA、基準(zhǔn)電壓源、片上溫度傳感器、電壓檢測及復(fù)位器等；集成的數(shù)字器件有：微處理器 （μP）、數(shù)字信號處理器（DSP）、閃存、SRAM、累加器/移相器、定時器/計數(shù)器、SPI、I2C及看門狗定時器等。由于它功能強(qiáng)、性能好，也有人 稱它為智能ADC。
TI公司的MSC1211就是一種微系統(tǒng)ADC芯片。它具有快閃存儲器、增強(qiáng)型 8501μP內(nèi)核及集成了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、PGA、精密基準(zhǔn)電壓源（VREF）、32位累加器、多路16位DAC、I2C接口。
該ADC 的噪聲性能優(yōu)于同類產(chǎn)品，VREF的精度及漂移也要比同類產(chǎn)品高出若干個數(shù)量級。其主要特點：24位（無漏失碼）；22位有效分辨率；八個差分/單端模擬 輸入；與8051內(nèi)核兼容；運行速度高達(dá)6MIPS；閃存容量32KB；32位累加器；可編程放大器（PGA）增益1～128；四路16位DAC；多主控 器I2C；64引腳TQFP封裝。
該器件主要應(yīng)用于便攜式儀表、智能傳感器、液相/汽相色譜分析儀、衡量及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
公司生產(chǎn)的微系統(tǒng)如表2所示。