A/D和D/A转换器亦常称为数据转换器,它是一种模拟和数字混合信息处理电路。随着集成技术的发展,其中的模拟信号处理部分的集成模拟元件数最多的已减少到百分之二,而芯片面积也缩小到百分之二十,但无论如何它总不失为模拟集成电路大家族中的重要一员。
自电子管A/D转换器面世以后,又经历了分立半导体、集成电路数据转换器的发展历程。在集成技术中,发展了模块、混合和单片集成数据转换器技术。经历几十年的发展,电路设计技术、工艺制作技术都得到了很大改进,产品性能水平得到了极大提高。A/D和D/A转换器应用广泛,但不同的应用对A/D和D/A转换器的性能要求不同。医疗成像系统需要速度和分辨能力都高的A/D转换器,以满足实际系统(如血液分析仪)的转换速率和转换精度;雷达、声纳、数字通讯系统以及数字示波器和频谱分析仪的前端也都需要高速、高分辨率的A/D和D/A转换器。另外,一般成像系统还需要转换器具有极好的微分线性度和低噪声,雷达和声纳系统还需要很高的无假信号的动态范围,数字通讯需要很低的互调失真,等等。所以,模块、混合和单片集成转换器齐头发展,互相发挥优势,互相弥补不足,开发了适应不同应用要求的A/D和D/A转换器。近年来,转换器产品都在数千种之上。据1997年D.A.T.A.Di2gestInterfaceIntegratedCircuits不完全统计,A/D转换器有4、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、18、20、24位分辨率(实际已有26位产品),计4753种产品,其中满足军用温度范围(-55°C～+125°C)的产品有1417种,满足MIL2883标准的产品有321种,模块175种。D/A转换器有4、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18等位分辨率(实际已有24位分辨率产品),计5981种产品,其中满足军温范围的产品1270种,满足MIL2883标准的产品440种。
1电路设计技术在A/D转换器的电路设计中,最通用的基本设计技术是计数式(又称斜坡式)电路结构、逐次比较(SAR)电路结构、闪烁(Flash)电路结构(常称为全并行结构)。其中计数式电路结构的A/D转换器的速度最慢,但电路结构简单,它只用一个比较器,适用于转换速度要求不高的应用。Flash电路结构的A/D转换器的速度最快,但电路结构最复杂,它需用2n-1个比较器,适用于9位分辨率以下的高速A/D转换器设计,其采样率可高达500MHz以上,满功率输入带宽可大于300MHz。SAR结构A/D转换器的转换速度高于计数式A/D转换器,但又低于flashA/D转换器,其电路结构的复杂性适中,是采样率在1MHz以内的A/D转换器应用最多、最普遍的一种电路设计结构。积分型电路结构是一种特殊类型的电路设计,这种结构又分为单斜率式、双斜率式和四斜率式。这种结构主要用于非常低的频率和近似直流信号的场合,如数字电压表。
近年来,对高速A/D转换器的研究最为活跃,在基本的Falsh电路结构基础上又出现了一些改进结构,如分区式或分级(Sub2ranging)电路结构(又称为half2flash结构、或Pipelined、或Multistage结构、或Multi2step结构)。实际上,它们是由多个Flash电路结构与其它功能电路不同形式的组合而成的电路结构,可弥补基本flash电路结构的缺陷,是实现高速、高分辨率A/D转换器的优良电路设计技术。这种结构在逐步取代历史悠久的SAR和积分型结构。另外还有一类每级一位(bit2per2stage)电路结构,在它的基础上进一步改进,得到一种称为Folding(折叠式)的电路结构(又称为MagAmps结构),这是一种Gray码串行输出结构。这些电路设计技术为高速、高分辨率的高性能A/D转换器的发展起到了积极的推动作用。
另外,高分辨率A/D转换器电路设计中,22$电路结构是目前很流行的一种电路设计技术。这种电路结构不仅在高分辨率低速或中速A/D转换器方面将逐步取代SAR和积分型电路结构,而且这种结构同流水线结构相结合,有望实现高分辨率、高速A/D转换器。
在D/A转换器电路结构方面,主要有线性组合式D/A转换器结构、R22RD/A转换器结构、乘法型D/A转换器结构及电流加权D/A转换器结构。这些结构是早已成熟的结构,近些年在D/A转换器电路结构方面没有太大的变化,而且对D/A转换器的研究报告也相对较少。
2 工艺技术单片集成电路的工艺技术主要有双极工艺、CMOS工艺以及双极和CMOS相结合的BiCMOS工艺。其中双极工艺是线性集成电路的主流制作工艺,CMOS工艺是数字集成电路的主流制作工艺,而BiCMOS工艺是否是具有线性和数字混合信号处理的A/D转换器的主流制作工艺呢?至少目前还不是。因为采用双极、CMOS和BiCMOS工艺的一些水平较高的的A/D转换器制作厂家分别制作出了性能优良的A/D转换器。另外,在微细加工尺寸方面,虽然已有一些半亚微米或亚半微米的A/D转换器产品出现,但是大多数高性能产品的微细加工技术仍处在1Lm上下的水平。数据转换器产品的性能水平不单是与工艺水平有关,更重要的是它还与电路设计技术密切相关。先进的电路设计常常可以在相近的工艺水平下获得性能水平更先进的产品。因此,由于电路设计者的努力,这几种工艺技术在数据转换器的制作中至今尚未分出高低。
数据转换器品种繁多,技术不尽相同,下面以A/D转换器为例,从不同角度简述其发展动态。
1 通用数据转换器
全面表征A/D和D/A转换器的性能参数多达数十项甚至上百项。制造厂家常常针对专门的应用对象侧重于满足少数主要参数要求去设计和制作。所以,A/D和D/A转换器曾是典型的专用模拟集成电路。随着设计技术不断改进和工艺技术的发展,一些先进制作厂家的产品也不断扩大应用。
随着CMOS技术在通用转换器中的广泛应用,使多数通用转换器内部电路结构增加了带校正功能的开关电容、SAR、S/H电路、模拟多路开关等功能电路。因而,这种器件实质上已成为一种子系统,功能日臻完善,且有差分输入、低功耗、小尺寸8引出端SOIC,甚至更小的封装,使用方便,价格低廉,比混合和模块型产品更具优势,面世不久便很快占领了整个低功耗转换器市场。
2 高分辨率高速转换器
随着传感器和微处理器的数据处理及管理能力的提高,A/D转换器已成为传感器和微处理器之间的薄弱环节,对高速高分辨率A/D转换器的需求日益增长。这种需求最初来源于军事系统应用领域,不久以后,在工业应用领域也提出同样要求,因而迅速推动着高速高分辨率A/D转换器的发展。单片形式的50～500MHz6～8位FlashA/D转换器上市后,很快引起了用户对10～16位2～3MHz以上速度的A/D转换器的需求。
3 低功耗转换器
现代电子系统,特别是航空航天以及袖珍和便携式电子设备均要求所用电子器件要进一步降低功耗,这对采样率在1MHz以上的高速转换器而言,意味着要在更小的功率下以更快的速度完成信号转换工作,即高效率地工作。功耗、速度、分辨率等综合性能的实现给转换器的制作者带来新的技术课题,也对寻求如何评价转换器的水平提出迫切需求。
近年来,转换器的主要目标是医疗(超声、成像)、通讯、扫描及其它成像应用。这些应用至少需要10至14位分辨率、5至40MHz采样率、功耗尽可能低的转换器,以便适用于电池供电的袖珍式,或诸如桌上扫描仪、电视摄像机之类的便携式设备。
4 多路A/D转换器
许多现代化电子系统在工作过程中需要同时采集多路输入信号,因而促进了多路A/D转换器的快速发展。目前,多路信号输入的转换器已发展到同单路输入的转换器一样,可实现高速、低功耗、低价格和小型封装,并已逐步成为通用器件。
5 其他转换器
新一代先进的电子战、雷达和通讯电子系统的设计目标,将需要16位100～200MHz及8～10位10GHz的高性能A/D转换器。虽然以硅为基础的转换器性能得到了极大提高,但其发展速度仍赶不上应用需求,因而在深入研究硅技术的同时还对其他新材料、新技术转换器进行了广泛探索,如以硅为基础的SiGe异质结技术、GaAs技术和其它化合物半导体异质结技术以及光学数据转换器技术。
A/D和D/A转换器的主要发展趋势是,单片集成以硅为主导发展技术,加速以硅为基础的异质结技术的发展;混合和模块集成A/D和D/A转换器是军事/航天系统的主导产品,将与硅芯片技术并行发展,而且须建立在先进的芯片技术基础之上;低电源低功耗、高速高精度A/D和D/A转换器是主导发展产品,其中16位100～200MHz及8～10位10GHz的高性能A/D转换器是新一代先进雷达、电子战和通讯电子系统的关键器件之一,它们是重点发展目标;目前已有工艺技术能满足目标产品的制作,如化合物半导体异质结技术,其晶体管的ft已大于50GHz;工艺技术中,双极(特别是异质结双极)、CMOS、BiCMOS将并行发展,加工尺寸已发展到半亚微米和亚半微米,并将继续向纵深发展。