ADC及DAC的历史进程概况

ADC及DAC的历史进程概况

本文以ADC的分辨率及采样频率，超高速、高性能DAC，便携式的需要，AV系统中的ADC及DAC及微系统这几个方面介绍ADC及DAC的一些发展概况，并介绍TI公司、ADI公司及MAXIM公司的一些ADC及DAC新器件。

ADC 及DAC器件的发展与广泛的应用是与数字技术发展分不开的； 另外，与微处理器（μP）、数字信号处理器（DSP）及PC的发展、普及及应用有极大的关系。过去，ADC及DAC主要应用于数据采集系统、工业过程控 制、测量及分析等领域。近年来，数字技术进入音频及视频领域，特别是CD、VCD、DVD及家庭影院进入百姓家，各种便携式播放机（MP3、MD）更为年 轻人青睐；无线数字通信（如手机）发展神速，数码相机有取代传统相机的趋势，车载数字音响也不断增加。总之，数字技术的快速发展和应用领域越来越宽，使 ADC及DAC器件也相应获得较快的发展与进步。这体现在性能不断提高、满足便携式的需要及价位不断降低。另外，ADC的集成度越来越高，已开发出高性能 的智能ADC。

ADC的分辨率及采样频率
ADC的性能参数较多，但其中最主要的是分辨率及采样频率。近年来，各生产厂家不断地为提高这些性能参数而努力，现在采样频率上有较大的提高。表1列出了目前主要应用的ADC能达到的分辨率（用位来表示）及采样频率。
与2000 年的同样参数比较：逐次逼近型ADC的分辨率由16位上升到18位，采样频率也由几百Ksps上升到几Msps；Σ～Δ型虽然在分辨率没有提高，但在采样 频率上有较高的增长。据资料介绍，在2000年的Σ～Δ型的采样频率为几～几十Ksps，而2004年的Σ～Δ型在20位分辨率时其采样频率已达到 2.5Msps。
分辨率与采样频率之间是一对矛盾，要提高采样频率往往要降低分辨率。例如，Σ～Δ型高速ADC可达5Msps,但其分辨率仅16位；Σ～Δ型可做到分辨率为24位，但其采样频率一般不到200Ksps。这里介绍四种高速ADC的新产品，可了解目前高速ADC的水平。

1. AD7641(ADI公司)
AD7641 是18位分辨率、2Msps采样频率的逐次逼近型（SAR）ADC。其主要特点：18位无失码分辨率；无流水线延迟； 差动输入范围到±VREF(VREF=2.5V)；INL±2LSB(典型值)；在100kHz时S/(N+D)为93dB（典型值）；在100kHz 时，THD为-100dB（典型值）；数据输出速度最大值2Msps；并行口（18、16或8位总线）；串行5V、3.3V、2.5V接口； SPI/QSPI/DSP兼容；片内有带缓冲器的低漂移基准电压源，并有温度传感器；单电源2.5V供电；在2Msps速度时功耗典型值为100mW；有 掸电模式（Power-down Mode）；48引脚LQFP封装。
该器件主要应用于医疗仪器、高动态数据采集、光谱分析及自动测试测仪器（ATE）等。

2. AD7760（ADI公司）
AD7760 是一种20位分辨率、2.5Msps采样频率的Σ～Δ型ADC。其主要特点：在78kHz数据输出速率时，SNR为118dB；在2.5MHz数据输出速 率时，SNR为100dB；可编程过采样速率（8X～256X）；灵活的并行口；全差动调制器输入；芯片上有用于信号缓冲的差动放大器；有用户可编程的低 通FIR滤波器；有过量程报警位；有数字失调及增益校正寄存器；有滤波器旁路模式；低功耗、并有掉电模式；借助于SYNC端可实现多个器件同步；64管脚 TQFP封装及48管脚CSP封装；工作温度范围～40℃～+85℃。
该ADC主要应用于数据采集系统、振动分折、测试系统等。

3. MAX1209(MAXIM公司)
MAX1209 是12位分辨率、80Msps采样频率的流水线型（Pipeline）或称为分级型ADC。其主要特点：直接中频（IF）采样至400MHz；极好的动态 性能：在FIN=70MHz/175 MHz时，SNR为68.0dB/66.5dB；在FIN=70MHz/175 MHz时，SFDR（无杂散动态范围）为85.1dBc/85.5 dBc；3.3V低电源电压工作时，功耗为366mW（单端时钟模式），393mW（差动时钟模式），3μW（掉电模式）；差动或单端时钟；全差动或单端 模拟输入；可调节全量程模拟输入范围：±0.35～±1.15V；共模基准；CMOS兼容输出为两部分或格雷码；数据有效指示器简化了数字设计；有数据输 出指示器；40引脚薄形QFN封装。
该ADC主要应用于IF通信接收机、蜂窝电话、起声波及医学上的成像、便携式仪器及低功耗数据采集等。

4. MAX1274/75（MAXIM公司）
MAX1274/75 是12位、1.8Msps采样频率的低功耗ADC。其主要特点：高速SPI兼容，3线串行接口；输入频率为525kHz时，S/(N+D)为70dB；内 有真差分跟踪/保持器；无流水线延迟；功耗典型值45mW；关闭时最大耗电1μA；小尺寸12引脚TQFN封装。
---该ADC主要应用于数据采集、马达控制、通信及便携式仪器。MAX1274与MAX1275的差别是前者输入是单极性，后者是双极性。

超高速、高性能DAC
DAC的转换速度一般用建立时间来表达（用μs或ns），也有的与ADC一样用采样速率来表达（用Ksps、Msps或Gsps）。超高速的DAC建立时间<50ns；而用采样速率表达时，其采样速率>1Gsps。
ADI公司在2004年上半年发布了一种超高速、高性能的DAC新器件AD9736。这是一种14位分辨率、1.2Gsps采样速率DAC ，并且具有超低噪声、超低功耗及极佳的动态性能。
该DAC采用一种双倍数据速率（DDR）方式以及快速LVDS输入接口，使在宽带下提供高转换速度，并在高速接收数据的同时保持低的失真及低的噪声。
AD9736 的主要性能：14位分辨率；1.2Gsps采样速率；互调失真（IMD）优于65dBc（在输出频率为600MHz时）；微分线性误码差（DNL）为± 1.0LSB；积分线性误码差（INL）为±2.0LSB；无杂散动态范围（SFDR）在300MHz输出频率时为63dBc，在600MHz输出频率时 为53dBc；工作电压1.8～3.3V；功耗典型值380mW，内插式滤波器的功耗在内时为550 mW；具有低压差分信号（LVDS）数字接口；集成的2倍内插带通滤波器；输出电流10～30mA范围内可编程。
由于它具有上述性能，它非常适合处理高频和宽带频率合成信号。这些应用包括：宽带测试的测量仪器和仪表、自动测试设备（ATE）、雷达、航空电子设备、宽带通信系统；蜂窝基站、点到点无线通信系统及本地多点分配业务（LMDS）等。

满足便携式的需要
便携式个人医疗仪 器、随身听（CD、MP3、MD）、手机、PDA及数码相机等大量上市，它要求小尺寸封装（减小PCB的面积）、低工作电压（减少电池数）及低功耗或微功 耗（延长电池的寿命）的ADC及DAC。为满足这些需要，各公司开发出不少适用于便携式的新器件。这里简单地介绍一些例子。

1. ADS1100（TI公司）
ADS1100 是一种16位、内有PGA、I2C串行接口、低噪声的ADC。经采用SOT～23～6的小尺寸封装、工作电压2.7～5.5V、工作电流90μA。其他特 点有：低噪声（<1LSB）；可编程数据速率可达240sps；I2C串行口可提供8个地址；内有VREF的精度2.048V±0.05％，漂移5 ×10-6/℃。
该ADC主要应用于便携式仪表、手持式医疗设备、智能型发射机，也适用工业过程控制。

2. PCM1770/1771（TI公司）
PCM1770/1771 是一种低电压、低功耗、小尺寸封装的立体声DAC。它最低工作电压为1.6V，在VHP=2.4V时，功耗为9.6mW，采用小尺寸VQFN封装 （4.2mm×4.2mm）。其他特点有：动态范围96dB（典型值）；THD+N为0.032％（典型值）；输出功率（16Ω）为10mW（立体声）、 20mW（单声道）；采样频率5kHz～50kHz；数字衰减：4.41kHz数字去加重、数字静音控制、无爆破声电路。
该DAC主要应用于便携式播放机、手机、PDA、数码相机、便携式CD播放机及自动选曲机等。、

3. AD5060及AD5660（ADI公司）
AD5060 及AD5660是两种8引脚SOT～23封装（2.9mm×2.8mm）的DAC。与同类产品相比较，其面积约小了45％。AD5060的特点是 14～16位分辨率；INL最大值为1LSB；内有输出缓冲放大器。AD 5660的特点是有12、14、16位分辨率；内有输出缓冲放大器及温漂最大值为10×10-6/℃的电压基准。
该DAC适用于模拟输入输出卡、数据采集卡、测试设备及工业控制系统等。

4. MAX5521（MAXIM公司）
MAX5521 是低电压、超低功耗、小尺寸封装的10位电压输出DAC。其主要特点：最低工作电压1.8V；工作电流仅需6μA；有关闭模式，在此模式时耗电最大值 0.18μA；小尺寸12引脚QFN封装（4mm×4mm）；内有输出满幅值的缓冲器；内有可输出8mA的基准电压源；快速16MHz三线 SPI/QSPI/MICRWIRE兼容串行接口；带有滞后的TTL及CMOS兼容的数字输入；在上电时无尖脉冲输出。

该DAC适用于各种电池供电的便携式仪器、仪表。
这里要指出的是，器件的功耗与其功能、性能有关，要比较其功耗的大小，必须在功能、性能相似或在同样工作电压条件下（若以工作电流表示其功耗大小时）相比较才有意义。

AV系统中的ADC及DAC



CD、 VCD、DVD及家庭影院的发展、便携式随身听（MP3、MD）的普及及微型组合音响和车载音频系统都采用高性能的数字式，ADC及DAC在现代音频系统 中的应用如图1所示，为满足这些产品要求开发出许多新型ADC及DAC，其中DAC占大多数。这里介绍TI公司一些典型DAC。它们有高的分辨率（24 位）以获得宽的动态范围，并且有高的SNR及低的THD。有一些24位的低价DAC主要应用于数字音量控制。

1. DSD1608（TI公司）
DSD1608 是一种低价位、八通道PCM/DSD兼容型DAC。其主要特点：数据字长为16/18/20/24位（PCM），直接流（DSD）；采样率（fs）高达 192kHz（PCM格式）/2.8224MHz（DSD格式）；八通道单端电压输出；系统时钟：128/192/256/384/512/768fs （DSD）；模拟性能（Vcc=5V、PCM/DSD模式）：DYR为105dB；THD+N为0.002%；全标度输出：4.0Vp-p；内置8倍过采 样数字滤波器（仅PCM格式）；52引脚TQFP封装。
该DAC主要应用于通用AV播放机，超级音频播放机。

2．PCM1738（TI公司）
PCM1738 是一种高性能立体声DAC，采用新开发的高级段DAC架构，具有极佳的动态性能并提高对时钟抖动的容限。主要特点：24位分辨率；采样频率192kHz； THD+N=0.0004%；DYR/SNR为117dB；差分电流输出（±2.5mA）；有192kHz的8倍过采样数字滤波器；系统时钟： 128/192/256/384/512/768fs自动检测；具有DF直流模式，具有DSD模式；双3.3V电源（数字用）、5V（模拟用）；28引脚 SSOP封装。
该DAC主要应用于AV接收机、超级音频CD播放机、DVD播放机等。

2. PCM1753/54/55（TI公司）
PCM1753/54/55 是一种立体声192kHz、24位DAC。其主要特点：DYR为106dB；THD+N为0.002%；4倍/8倍过采样数字滤波器；阻带衰减为- 50dB；陡滚降/慢滚降可选；系统时钟12V 256/384/512/768fs自动检测；PCM1753、PC1755为软件控制，PCM1754为硬件控制；16引脚SSOP小外形封装。
该DAC主要应用于AV接收机、汽车音响系统，个人音频应用等。

3. TLV320AIC26（TI公司）
TLV320AIC26 是具有头戴式耳机/扬声机放大器和12位电池/温度/辅助ADC的高性能、低功耗音频编解器。其主要特点：立体声音频DAC和单声道音频DAC支持 48Ksps的速率；高品质97dB立体声音频重放；传声器前置放大器和硬件自动增益控制；可为8Ω负载提供330mW输出功率，并可供立体声头戴耳机； 低功耗（11mW）；可编程数字音频低音/高音/均衡/去加重处理；输入电压可达6V；有片上温度和辅助输入测量。
该器件主要应用于蜂窝电话和智能型电话、PDA、MP3播放机、数码相机及数字摄像机等。

微系统
微系统（Micro System）或称为片内系统（System on chip）是一种把许多外围器件（模拟器件和数字器件）集成在ADC芯片上。这不仅减少外围元器件的数量、减小印制板的空间、提高可靠性，并且可缩短系统 开发时间、简化接口，容易满足用户的特定要求。
微系统芯片上可集成的模拟器件 有：ADC、DAC、多路转换器、可选缓冲输入、补偿DAC、PGA、基准电压源、片上温度传感器、电压检测及复位器等；集成的数字器件有：微处理器 （μP）、数字信号处理器（DSP）、闪存、SRAM、累加器/移相器、定时器/计数器、SPI、I2C及看门狗定时器等。由于它功能强、性能好，也有人 称它为智能ADC。
TI公司的MSC1211就是一种微系统ADC芯片。它具有快闪存储器、增强型 8501μP内核及集成了多路转换开关、PGA、精密基准电压源（VREF）、32位累加器、多路16位DAC、I2C接口。
该ADC 的噪声性能优于同类产品，VREF的精度及漂移也要比同类产品高出若干个数量级。其主要特点：24位（无漏失码）；22位有效分辨率；八个差分/单端模拟 输入；与8051内核兼容；运行速度高达6MIPS；闪存容量32KB；32位累加器；可编程放大器（PGA）增益1～128；四路16位DAC；多主控 器I2C；64引脚TQFP封装。
该器件主要应用于便携式仪表、智能传感器、液相/汽相色谱分析仪、衡量及远程数据采集系统等。
公司生产的微系统如表2所示。