類比數位轉換器

類比數位轉換器（Analog-to-digital converter, ADC）是一個能夠把類比的電壓 轉換成數位訊號的一種積體電路，實際現實生活中的所有訊號皆可以看成連續的 取樣定理（Nyquist–Shannon sampling theorem）會限制轉換後的數位訊號的響應頻 率，若需要取得的類比訊號為 f ，則取樣頻率需要大於 2 f 才足夠，在轉換成數位

2.2.1 逐次逼近類比數位轉換器

逐次逼近類比數位轉換器（Successive approximation ADC, SAR ADC）主要使 用的想法是二元搜尋法（binary search），其架構 Fig. 2.7 主要是一個比較器，一端 接上取樣保持電路（sample and hold, S/H），來維持輸入電位的恆定直到取樣結束，

另一端是接上 N 位元的數位類比轉換器，之後便是採用二元搜尋來猜測，比較輸 入訊號以及數位類比轉換器當前輸出的電位高低，來決定下一個位元是 0 或是 1，

所以若為 N 位元的轉換器，則需要 N 個循環最後轉換出 N bits 為輸出。

Fig. 2.7 逐次逼近類比數位轉換器架構圖

2.2.2 管道模擬類比數位轉換器

管道模擬類比數位轉換器（Pipeline ADC），此類型的類比數位轉換器和一般 電腦 CPU 中使用的 Pipeline 方式是一樣的，把所有的轉換程序切成N 等分，每一 個小單元（stage）只需要做簡單的轉換，可以大大簡化電路的複雜性，並且可以 連續推進，使得速度可以達到 1 MHz 以上，但因為每一單元的取樣保持電路以及 放大電路的誤差會被一級一級的放大，進而影響最後輸出的結果，所以其精準度 並不高。

程序圖如 Fig. 2.8、 2.9，首先每一個單元需要一個取樣保持電路，把輸入訊 號維持在一定範圍內，在此單元中只需要轉換出xbits 即可，再利用xbits 數位類 比轉換器轉換成類比訊號，對一開始的保持電位做相加減，接著放大 2^x倍，就可 以送給下一個程序，等所有程序都結束後就可以得到N×xbits 的數位訊號。

Fig. 2.8 管道模擬類比數位轉換器架構程序圖

Fig. 2.9 管道模擬類比數位轉換器單一單元架構圖

2.2.3 Σ∆類比數位轉換器

Σ∆類比數位轉換器（Sigma-Delta ADC）又稱三角積分調變，屬於過採樣

（oversampling）的 ADC。一般 ADC 可以依照取樣頻率分為兩種，第一種就是依

照耐奎斯頻率（Nyquist frequency）對輸入訊號做採樣的動作，也就是取樣頻率高 於信號頻率兩倍，上述兩種 ADC 即為此種；此小節Σ∆類比數位轉換器便是另一 種稱為過取樣的類比數位轉換器，取樣頻率遠高於採樣頻率，利用此技術來取樣，

精準度可以大幅的提升，主要原因就是在 ADC 量化時受限於元件製造時的精準度，

會有量化誤差，其誤差特性為一白雜訊（white noise）的關係，由於白雜訊的總能 量是不變的，所以當取樣頻率越高，則輸入信號和白雜訊的比例（signal noise ratio, SNR）就可以大幅提高，使得類比數位轉換的精確度提高，如 Fig. 2.10 所示，若 是非過取樣的架構，往往將會只取到信號的耐奎斯頻率為止，這會造成底下的白 雜訊能量全部集中在中央，導致訊號和雜訊較無法分辨的情況。

Fig. 2.10 白雜訊在兩種類比數位轉換器的分析圖

但光靠過取樣的技術還無法滿足高精度的需求，還會衍生出雜訊移頻（noise shaping）的技術，利用高低頻濾波器和回授的機制來轉移低頻的雜訊到高頻，而 因為輸入訊號的頻率為低頻，則可以加提高訊雜比，而高頻的訊號則會經過低階 濾波器濾掉。參考 Fig. 2.11 來解釋此項技術，其中Q S 表示一簡單的 ADC 雜訊_e( )

無雜訊進入。

Fig. 2.12 ∆Σ類比數位轉換器架構圖