第 20 章：模数转换

中文学习笔记，依据 ADI 原章节 重述并补充工程注释。不是逐句翻译，也不替代 ADI 原文与器件数据手册。

本章定位

本章解释 ADC 的基本操作、关键规格与四类常见架构。理解 ADC 的最好方式是把它拆成采样、比较/量化、编码三件事，再看各架构如何在速度、分辨率、延迟和功耗之间取舍。

学习目标

• 能用物理直觉说明主要电路或器件的工作过程。
• 能写出本章核心近似式，并说明近似成立的条件。
• 能识别输入范围、输出余量、功耗、噪声或稳定性中的主要限制。
• 能阅读原理图并完成数量级检查。

原章小节索引

• 20.1 What they do
• 20.2 Basic Operation
• 20.3 Understanding Key Specifications
• 20.4 ADC Classifications
• 20.5 How It Works - Flash Architecture
• 20.6 How It Works - Pipeline Architecture
• 20.7 How It Works - SAR Architecture
• 20.8 How It Works - Sigma-Delta Architecture

采样与量化

采样保持在某个时刻冻结输入，量化把连续幅度映射到有限码字。量化误差在理想条件下位于 ±0.5 LSB，但实际还叠加噪声、失调、非线性和参考误差。

关键规格

分辨率是码数，不等于准确度。需要同时看 INL、DNL、SNR、SINAD、SFDR、有效位数、输入带宽、采样率、延迟和功耗。

Flash

用 $2^N-1$ 个比较器并行比较输入与阈值，速度极高、延迟很低，代价是面积、功耗和输入电容迅速增加。常用于低至中分辨率超高速场合。

Pipeline

每级粗量化并放大残差交给下一级，通过数字校正组合结果。吞吐率高，但输入到码输出存在多个时钟周期的固定延迟。

SAR

内部 DAC 与比较器执行二分搜索，从最高位到最低位逐步逼近。其能效高、延迟可预测，适合中高速数据采集；驱动器必须满足采样电容的建立需求。

Sigma-Delta

调制器以高采样率把量化噪声整形到带外，数字滤波与抽取获得高分辨率结果。它带宽较窄且数字滤波带来延迟，工频抑制和低频精密测量是典型优势。

核心公式与使用条件

• 奈奎斯特条件：$f_s>2B$（工程上还需留滤波过渡带）
• $LSB=FS/2^N$
• $ENOB=(SINAD-1.76)/6.02$
• 理想量化误差范围约为 $[-0.5,0.5]$ LSB

公式默认采用理想或一阶模型。用于实际设计前，应补入器件容差、温度范围、频率依赖和数据手册保证值。

常见误区

• 把采样率直接当作可用输入带宽。
• 只看 ENOB，不看 SFDR 和延迟。
• SAR 前端 RC 未在采样时间内建立。

设计检查清单

1. 先标出所有电压极性、电流方向与直流工作点。
2. 验证器件处于假设的工作区，并检查输入/输出合规范围。
3. 对最大、最小电源与温度角点重复计算。
4. 计算功耗、噪声或带宽时写清单位和积分带宽。
5. 用仿真或实验验证瞬态、稳定性及最坏容差。

配图

图 1：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

图 2：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

图 3：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

图 4：选自 ADI 原章节；请结合本章中文解释阅读。

复习题

1. 用自己的话说明“采样与量化”解决的核心问题。
2. 针对“Sigma-Delta”，列出一个计算中必须检查的边界条件。
3. 选取本章一幅图，沿信号或能量流向逐节点解释其工作过程。

来源与署名

• 来源：ADI 原章节。
• 原始教材及图片：Analog Devices, Inc.，用于非商业教育学习；保留 ADI 署名。
• 本文中文讲解为重新组织的学习笔记；如与原文或最新数据手册不一致，以原始资料和器件数据手册为准。