ADC 之各種架構

ADC 的架構相當多種，每種架構都有不同的特性，分別應用在各種不 同的場合當中，ADC 的種類與特性主要都以解析度與取樣速度來做粗略的 劃分，理想的轉換器其解析度與取樣速度當然都是越高越好，然而實際情 形中，兩者往往卻是互相違背的，高解析度的設計就難以達到高取樣率的 要求，而高速的取樣率也使得解析度的發展被侷限住。因此以這個指標來 區分，大概可區分成三類，如表2.1 所示。

表2.1 列出的數種架構中，較為常見的只有 Oversampling（超取樣）的 Σ-Δ （sigma-delta）ADC、Successive-approximation（連續漸進式）ADC、

Flash（快閃式）ADC 以及 Pipelined（管線式）ADC。Σ-Δ ADC 主要是利用 DSP 的技巧改變頻譜中量化雜訊的分佈，透過雜訊整形（Noise-Shaping）

將雜訊推往較高頻的部份，之後經由數位濾波器隔絕掉大部分的雜訊能 量，使得主訊號（Signal tone）出現的低頻段範圍內可以有較佳的 SNR 結 果，Σ-Δ ADC 可以提供超過 20bits 精確程度的解析度，但容許的訊號頻率 範 圍 也 相 對 的 較 小 ， 通 常 被 應 用 在 低 速 音 頻 訊 號 的 領 域 中 ； Successive-approximation ADC 的操作速度可以較快一些，但由於製程上的 若干限制使得可達到的解析度受到限制，只能提供中高等級的解析度，然 而此種ADC 最大的特點是在可允許的解析度範圍內，不論解析度為何，整 個ADC 內只有一個比較器（Comparator）來轉換訊號，所以使得此類 ADC 除了具備速度稍快的優勢之外，能達到低耗能（Low power）的特點是其最

主要的賣點，且多增加位元數所帶來的硬體功率消耗並不會成等比例的增 加，因此Successive-approximation ADC 常被應用於低耗能的場合，如可攜 式的電子裝置，以提高電池的續航力。

表2. 1 依解析度與取樣率區分 ADC 之種類[18]

Low-to-Medium Speed, High Accuracy

Medium Speed, Medium Accuracy

High Speed, Low-to-Medium

Accuracy

„ Integrating

„ Oversampling (Σ-Δ)

„ Successive-approximation

„ Algorithmic (Cyclic)

„ Flash

„ Two-step

„ Interpolating

„ Folding

„ Pipelined

„ Time-interleaved

(bits) Resolution

(Samples/s) Sampling rate Approximation

機；Pipelined（管線式）ADC 利用管線化平行處理的概念，將輸入訊號分 級做轉換，任意時間裡每一級都不斷的在轉換訊號，使得操作速度可以較 快，但仍無法達到Flash ADC 的轉換速度，不過 Pipelined ADC 可提供高於 Flash ADC 程度的解析度，通常在 8~12 bit 而取樣率約為 100~200MHz 的應 用中，Pipelined ADC 是相當好的選擇。此四種架構 ADC 的解析度與取樣 速率的關係如圖2.13 所示。

圖2. 14 基本 Flash ADC 之架構

從前面的討論中，可以知道對於我們需要的設計規格－10GS/s, 4-bit 的 ADC 來說， Flash 架構的 ADC 是最為適當的選擇，因此本論文所設計之 資料轉換器對中的ADC 即是使用 Flash 的架構。一個基本的 Flash ADC 架 構簡圖如圖2.14 所示，N-bit 的解析度需要（2^N-1）個比較器（Comparator）

個數；輸入類比訊號直接連接到這一連串比較器的輸入端，每個比較器將 輸入訊號與分壓電阻串（Resistor ladder）所產生的參考電壓（reference voltage, Vref）作比較，對每個比較器而言，若輸入訊號大於對應的參考電 壓時，則該比較器輸出為邏輯“1”，反之則輸出為邏輯“0”，正常情況下這些 比較器的輸出會是隨輸入訊號變化的溫度計碼（Thermometer code），再經

由後續的編碼器便可得到N-bit 的數位輸出。由於 Flash ADC 是用並列式的 方式比較並轉換，每次轉換只需要一個取樣週期（或時脈週期，clock cycle）

的時間就可以得到一筆數位輸出，所以幾乎是高速應用ADC 首選的架構。