芯耀
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今天给大家带来分享的是来自于斯坦福大学 Boris Murmann 教授的《Introduction to ADCs/DACs: Metrics, Topologies, Trade Space, and Applications》。
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核心主题： 全面介绍模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 的基本原理、关键性能指标、主流与新兴架构、性能趋势与限制因素，以及各种应用驱动。
I. 模数转换器 (ADC) 部分
1.ADC基本原理与接口 (Generic A/D Interface):
• 组成：抗混叠滤波器 (Anti-Alias)、采样保持 (Sample and Hold - CLK)、量化器 (Quantizer - V_REF)、数字输出 (D_out)。
• 关键概念：量化阶跃 (Step size / LSB)、量化误差 (Quantization error, εq)。
•信噪比公式：SQNR = 6.02B + 1.76 dB (B为位数)。
2. ADC性能指标 (Metrics):
•静态指标 (Static Performance Metrics):• 微分非线性度 (DNL - Differential Nonlinearity): 实际量化阶跃与理想LSB的偏差。
• 积分非线性度 (INL - Integral Nonlinearity): 实际转换特性与理想直线的最大偏差，是DNL的累积。
• 动态/频谱指标 (ADC Spectral Performance Analysis - 基于DFT分析):
• 信噪比 (SNR - Signal-to-Noise Ratio): 信号功率与噪声功率之比。
• 信号与噪声失真比 (SNDR / SINAD - Signal-to-Noise and Distortion Ratio): 信号功率与噪声加失真功率之比。
• 无杂散动态范围 (SFDR - Spurious-Free Dynamic Range): 信号功率与最大杂散（谐波或非谐波）功率之比。• 谐波失真 (HD - Harmonic Distortion): 如HD2, HD3等。
• 有效位数 (ENOB - Effective Number of Bits):ENOB = (SNDR(dB) - 1.76) / 6.02。
• 其他重要指标：
• 动态范围 (DR - Dynamic Range): 最大不失真信号与最小可分辨信号（通常在SNR=0dB时）的比值。
•针对宽带/RF信号的先进指标：
• 双音测试 (Two-Tone Test): 评估互调失真 (IMD, 特别是IM3)。
• 邻道泄漏比 (ACLR - Adjacent Channel Leakage Ratio)。
• 噪声频谱密度 (NSD - Noise Spectral Density): 对评估带内噪声非常有用。
3. ADC架构 (Architectures):
•Flash ADC (全并行ADC): 速度最快，但功耗和面积随位数指数增长 (2^B-1个比较器)，适用于低位数 (如B≤6)。比较器失调是大挑战。
•SAR ADC (逐次逼近型ADC): 结构简单，功耗低，通过单个比较器和DAC逐位比较。线性度依赖内部DAC，比较器噪声对高位数影响大。
•ΔΣ (Delta-Sigma) ADC (过采样和噪声整形ADC): 通过过采样和噪声整形技术将量化噪声推向高频，然后用数字滤波器滤除，可实现高分辨率。性能受DAC和环路滤波器第一级限制。
• 噪声整形SAR (NS-SAR): 将噪声整形技术应用于SAR ADC。
• Pipelined ADC (流水线ADC): 将转换过程分成多个级联的子级，每级处理几位，实现高吞吐率。需要级间增益和校准。
• Time-Interleaved ADC (时间交织ADC): 并行使用多个ADC通道，通过时钟相移轮流采样，大幅提高采样率。对通道间失配（失调、增益、定时、带宽）非常敏感，需要校准。
• Hybrid ADCs (混合架构): 结合不同架构的优点，如Pipelined-SAR等。
4. ADC性能趋势、权衡与限制因素 (Speed, Resolution, Energy Tradeoffs and Trends, Limiters):
•速度-分辨率前沿: fs * 2^ENOB ≈ 常数 (Schreier FoM相关)。•
工艺节点演进: 先进工艺有助于提升速度和降低功耗。•
功耗 (Energy per Conversion, P/fs):
• 低SNDR时，受“技术限制”，能耗约每6dB翻倍。
• 高SNDR时，受“噪声限制”(热噪声kT/C)，能耗约每6dB翻4倍 (P/fs ∝ kT × SNR)。
• 品质因数 (FoM - Figure of Merit):• Walden FoM: P / (fs * 2^ENOB)。• Schreier FoM_S (基于SNDR): SNDR + 10log(fs/(2P))。 (PPT中用fs/2)• FoM在高频会滚降，因为晶体管效率下降，线性功耗缩放假设失效。
• 主要限制因素：• 器件速度 (fT)。• 输入孔径 (Input Aperture) 与采样时钟抖动 (Jitter): Jitter会限制高频输入信号的SNR。• 亚稳态 (Metastability): 影响比较器决策时间，尤其在Flash和异步SAR ADC中。• 功耗、面积。
5. ADC应用驱动 (Application Aspects):
II. 数模转换器 (DAC) 部分
1.DAC基本原理与接口 (Conceptual View):
• 组成：电平产生 (Level Generation)、电平定时 (Level Timing - NRZ/RZ)、重建滤波器 (Reconstruction Filtering)。• 挑战：精确的数字到模拟电平映射、精确的电平翻转定时。
•NRZ输出的频谱特性: 主瓣在DC，有sinc函数包络的镜像频谱。过采样有助于降低重建滤波器要求。
2. DAC架构与关键技术:
Current Steering DAC (电流舵DAC): 主流高速DAC架构。由多个电流源单元组成。
单元分组策略:• 二进制加权: 无需译码器，但MSB翻转时易产生大毛刺 (glitch)，对幅度和定时误差敏感。• 温度计码 (Thermometer): 单元全匹配，毛刺小，但译码器复杂，连线多。• 分段式 (Segmented): 结合二进制和温度计码，如LSBs二进制，MSBs温度计码。
• 误差来源: 幅度误差 (单元失配)、定时误差 (时钟抖动、单元间Skew)。
3. DAC性能指标与问题:
•静态误差: DNL, INL, 失调。
动态/频谱指标: THD, SFDR。
全局时钟抖动 (Global Clock Jitter): 导致输出脉冲宽度随机变化，产生噪声和杂散。其带内SNR影响与ADC采样抖动类似。•
RF DAC特定指标: 噪声频谱密度 (NSD)。• 互调失真 (IM3/IMD)。
• 有线通信DAC指标: 眼图质量 (随机抖动等)、带内SNDR。
4. DAC性能趋势与限制:
直接RF合成 (Direct RF Synthesis): 高速DAC直接产生RF信号。•
State-of-the-Art RF DAC性能分析 (以Lin, ISSCC 2018为例):• IMD主要受单元匹配、分段方案、动态单元匹配(DEM)技术影响。• NSD主要受热噪声、抖动、量化噪声（16bit时较小）、DNL噪声/DEM噪声影响。• 热噪声和抖动是RF DAC在低噪声水平下的主要限制。
• DAC性能调查 (SFDR/IM3 vs. f_signal): 高频时性能有滚降趋势 (可能-40dB/dec)，可能与开关管时变阻抗有关。
• 工艺与面积: 先进工艺有助于提升性能和减小面积，但缩放效应复杂。
III. 整体趋势与总结 (Some Take-Aways)
• 技术推动和应用拉动共同促进了数据转换器性能的显著提升。• 现代数据转换器性能已接近实际物理极限 (如低速ADC的8kT×SNR能量极限，高速ADC/DAC的数十飞秒级定时抖动)。•
ADC架构趋势: 混合架构，SAR架构占据主导地位。•
DAC架构趋势: 电流舵架构占据主导，但也有其他替代方案在出现。•
应用趋势: RF ADC/DAC、超高速有线通信ADC/DAC是热点。
核心知识点提炼：
- • 理解ADC/DAC的基本工作流程和关键组成模块。• 熟练掌握各类静态和动态性能指标的定义、计算方法及其对系统性能的影响。• 熟悉主流ADC/DAC架构（Flash, SAR, ΔΣ, Pipelined, Time-Interleaved, Current Steering）的原理、优缺点及适用场景。• 了解影响ADC/DAC性能的主要限制因素，特别是抖动、噪声（量化噪声、热噪声）、失配、亚稳态等。• 掌握性能评估的品质因数 (FoM) 及其局限性。• 了解ADC/DAC技术在不同应用领域（通信、医疗、消费电子等）的具体要求和发展趋势。
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