《数模转换器入门：连接现实与数字的桥梁（Introduction to Analog-to-Digital Converters ）》

《数模转换器入门：连接现实与数字的桥梁》不仅是一本适合初学者的入门指南，也是一本能够帮助有一定基础的学生和工程师提升技能、拓宽视野的实用教材。通过这本书，读者可以深入了解数据转换器的基本原理、最新技术和应用前景，为未来的学习和工作打下坚实的基础。

核心速览

本文是《模拟到数字转换器：原理与电路实现》一书的内容摘要，由Takao Waho撰写，旨在介绍模拟到数字转换器（ADC）的基本原理和电路实现方法。

研究背景

·  研究问题：随着数字技术的快速发展，模拟到数字转换器（ADC）在数据采集、信号处理等领域扮演着至关重要的角色。研究ADC的基本原理和电路实现对于提高数据转换的精度和效率具有重要意义。
·  研究难点：ADC的设计和实现面临多种挑战，包括如何在保证高分辨率的同时减少量化误差，如何优化采样率以避免混叠现象，以及如何在电路设计中平衡速度、精度和功耗等因素。
·  文献综述：本书在介绍ADC原理和电路实现的过程中，参考了大量相关领域的文献，包括数据转换器的理论基础、电路设计技术、以及最新的技术趋势和应用案例。这些文献为本书提供了坚实的理论基础和实践指导。

模数转换器基础

·  采样与量化：模数转换器（ADC）的基本功能包括采样、量化和编码。采样是将连续时间信号离散化的过程，量化是将连续的物理量（如电压）离散化的过程，编码则是将量化后的值分配数字代码的过程。采样定理指出，为了正确重建原始信号，采样频率必须至少是信号带宽的两倍。量化误差限制了数据转换器的信噪比（SNR）。
·  数据转换器趋势：随着数字信息处理的重要性增加，数据转换器在传感器网络、物联网、机器人和自动驾驶车辆等领域变得不可或缺。数据转换器的设计和架构受到最新CMOS技术的显著影响，提出了多种吸引人的架构，并且电路实现展示了卓越的性能。

基本电路块

·  采样保持（S/H）电路：S/H电路用于在采样模式下跟踪输入信号，并在保持模式下保持采样值。电路的非理想因素包括开关MOSFET的导通电阻变化、电荷注入和有限的转换时间。实际电路中使用了具有单位增益缓冲器的S/H电路，以减少输出负载对采样值的影响。
·  比较器：比较器用于在A/D转换中进行量化。基于运算放大器的比较器、多级比较器和锁存比较器是实现这一功能的电路。比较器的非理想因素包括运算放大器的有限增益、电荷注入和时钟抖动。

数字/模拟（D/A）转换器

·  基本操作：D/A转换器将数字输入字转换为相应的模拟值。理想D/A转换器的输出与输入成线性关系，但实际D/A转换器可能会产生称为“毛刺”的尖峰。为了减少毛刺，可以使用S/H电路进行去毛刺处理。
·  性能规格：D/A转换器的性能规格包括静态特性和动态特性。静态特性描述了输入和输出之间的关系，当输入信号变化缓慢到可以忽略瞬态响应时。动态特性代表了在高频区域操作时的行为，此时电路元件和互连相关的寄生电容的影响不能被忽略。

奈奎斯特速率模拟/数字（A/D）转换器

·  性能规格：A/D转换器的性能规格与D/A转换器类似，但输入是模拟的，输出是数字的。A/D转换器的输入/输出特性和量化误差是其静态特性的一部分。动态特性包括信号带宽和采样频率对信噪比（SNR）的影响。
·  架构和特性：A/D转换器的架构包括闪速（Flash）、折叠和插值、逐次逼近（SAR）等。每种架构都有其特点和适用场景。例如，闪速A/D转换器可以实现最高转换速度，但其分辨率受到限制。SAR A/D转换器则在低功耗操作方面具有优势。

过采样模拟/数字（A/D）转换器

·  基本概念：过采样A/D转换器通过使用远高于奈奎斯特频率的采样频率和数字信号处理技术来提高分辨率。过采样可以减少信号带内的量化噪声，并允许放宽抗混叠滤波器的要求。
·  架构和特性：过采样A/D转换器的架构包括一阶和二阶△∑调制器以及多级、多比特和连续时间△∑调制器。这些调制器通过数字滤波器实现高精度平均，从而提高分辨率。△∑调制器的反馈路径包括一个D/A转换器，但所需的D/A转换器分辨率与△调制器不同，因为△∑调制器的输入是1比特且本质上是线性的。

时间交织A/D转换器

·  时间交织A/D转换器：时间交织A/D转换器通过在Si基板上并行操作多个A/D转换器来实现快速A/D转换。这种转换器适用于需要高采样频率但单个转换器速度较慢的应用场景。时间交织A/D转换器面临的最大挑战是减少各通道特性之间的不匹配，以避免频谱中出现称为杂散的峰值。