隨著計算機、通信和多媒體技術的飛速發展，全球高新技術領域數字化的程度已不斷加深。如今電子產業已經形成了以數字技術為主體的格局，特別是半導體產業顯的尤為突出。半導體技術數字化和集成化的日益提高，在推動微控制器（MCU）、數字信號處理器（DSP）、微機械電子系統（MEMS）的發展中，也推動了“嵌入” 或“隱性”模數轉換技術的發展[1]。在這些因素的影響下，模數轉換技術正朝著高精度、高速度的發展方向邁進。
為了適應模數轉換發展的要求，模數轉換技術也變得越來越復雜。本文就模數轉換這一領域所應用的主要轉換技術以及各自的特點做一簡要的介紹，并由此推斷出模數轉換技術的發展趨勢。
2主要模數轉換技術
模數轉換技術是現實各種模擬信號通向數字世界的橋梁，作為將模擬信號轉換成數字信號的模數轉換技術主要有以下幾種。
2.1 積分型轉換
積分型模數轉換技術在低速、高精度測量領域有著廣泛的應用，特別是在數字儀表領域。積分型模數轉換技術有單積分和雙積分兩種轉換方式，單積分模數轉換的工作原理是將被轉換的電信號先變成一段時間間隔，然后再對時間間隔記數，從而間接把模擬量轉換成數字量的一種模數轉換方法，它的主要缺陷是轉換精度不高，主要受到斜坡電壓發生器、比較器精度以及時鐘脈沖穩定型的影響。為了提高積分型轉換器在同樣條件下的轉換精度，可采用雙積分型轉換方式，雙積分型轉換器通過對模擬輸入信號的兩次積分，部分抵消了由于斜坡發生器所產生的誤差，提高了轉換精度。雙積分型轉換方式的特點表現在：精度較高，可以達到22位；抗干擾能力強，由于積分電容的作用，能夠大幅抑止高頻噪聲。但是，它的轉換速度太慢，轉換精度隨轉換速率的增加而降低，每秒100～300次（SPS）對應的轉換精度為12位。所以這種轉換方式主要應用在低速高精度的轉換領域。
2.2 逐次逼近型轉換
逐次逼近型轉換方式在當今的模數轉換領域有著廣泛的應用，它是按照二分搜索法的原理，類似于天平稱物的一種模數轉換過程。也就是將需要進行轉換的模擬信號與已知的不同的參考電壓進行多次比較，使轉換后的數字量在數值上逐次逼近輸入模擬量的對應值。逐次逼近型轉換方式的特點是：轉換速度較高，可以達到100萬次/秒（MPSP）；在低于12位分辨率的情況下，電路實現上較其他轉換方式成本低；轉換時間確定。但這種轉換方式需要數模轉換電路，由于高精度的數模轉換電路需要較高的電阻或電容匹配網絡，故精度不會很高。
2.3 并行轉換
并行轉換方式在所有的模數轉換中，轉換速度最快，并行轉換是一種直接的模數轉換方式。它大大減少了轉換過程的中間步驟，每一位數字代碼幾乎在同一時刻得到，因此，并行轉換又稱為閃爍型轉換方式 [2]。這種轉換器的結構如圖1所示。并行轉換的主要特點是它的轉換速度特別快，可達50MPSP，特別適合高速轉換領域。缺點是分辨率不高，一般都在10位以下；精度較高時，功耗較大。這主要是受到了電路實現的影響，因為一個 N位的并行轉換器，需要2N－1個比較器和分壓電阻，當N＝10時，比較器的數目就會超過1000個，精度越高，比較器的數目越多，制造越困難。
2.4 流水線轉換
流水線型轉換方式是對并行轉換方式進行改進而設計出的一種轉換方式[2,3]。它在一定程度上既具有并行轉換高速的特點，又克服了制造困難的問題，其結構如圖2所示。以8位的兩級流水線型為例，它的轉換過程首先是進行第一級高4位的并行閃爍轉換，得到高4位信號；然后把輸入的模擬信號與第一級轉換后數字信號所表示的模擬量相減，得到的差值送入第二級并行閃爍轉換器，得到低4 位信號。除了兩級的流水線型轉換方式外，還有第第三、第四甚至更多級的轉換器。流水線型轉換方式的特點是：精度較高，可達16位左右；轉換速度較快，16位該種類型的ADC速度可達5MPSP，較逐次比較型快；分辨率相同的情況下，電路規模及功耗大大降低。但流水線型轉換方式是以犧牲速度來換取高精度的，另外還存在轉換出錯的可能。即第一級剩余信號的范圍不滿足第二級并行閃爍ADC量程的要求時，會產生線性失真或失碼現象，需要額外的電路進行調整。
2.5 折疊差值轉換
由流水線型轉換方式可知，通過對輸入信號的預處理，使轉換器精度提高的同時，可大幅降低元件的數目。流水線型處理的方式是分步轉換，其高位和底位數據分步得到，使轉換速度受到影響。折疊插值型轉換方式克服了流水線型分步轉換所帶來的速度下降，它通過預處理電路，同時得到高位和低位數據，但元件的數目卻大大減少。
折疊插值型轉換方式信號預處理的方法是折疊[4,5]。折疊就是把輸入較大的信號映射到某一個較小的區域內，并將其轉換成數字信號，這個
數據為整個數字量的低位數據。然后再找出輸入信號被映射的區間，該區間也以數字量表示，這個數據為整個數字量的高位數據。高位和低位數據經過處理，得到最后的數字信號。圖3就是一個8位的折疊型轉換方式的信號處理的示意圖。它將輸入信號折疊成8個區間，用3位數字表示這8個區間。然后再將折疊后的信號轉換成5位數字量。
實際的折疊電路是由多個差分對構成的，并不能形成如圖3所示的三角形折疊波，一般在最大值及最小值處較圓滑，造成較大的非線性誤差，這可通過采用多個折疊電路的辦法進行改進。如果數字量低位部分有5位，采用32個折疊電路，通過調節各個折疊電路的基準電壓，使每個折疊區間產生32個過零點，然后把這32路折疊后的信號送入比較器，再經過編碼，產生低位數據。但是32路折疊電路的電路規模較大，體現不出它的優勢，所以通過插值的方法來產生相同的效果。仍以低位為5位量化為例，只采用4個折疊電路，那么每個折疊區間會有4個折疊波。再利用8個電阻分壓產生的基準電壓，調節這4個折疊電路，就可以得到另外的7組折疊波，同樣可以產生32路折疊波。圖4就是折疊插值轉換方式的原理圖。
折疊插值轉換方式的特點是：數據的兩次量化是同時進行的，具有全并行轉換的特點，速度較快；電路規模及功耗不大，如這里的8位轉換器只需40個比較器。折疊插值方式存在的問題是信號頻率過高時，有所謂“氣泡”現象產生，需要額外的處理電路；且當位數超過8位時，如要保持較少的比較器數目，折疊插值變得十分麻煩，所以一般只用于8位以下的轉換器當中。
2.6 過采樣Σ△模數轉換
過采樣Σ△模數轉換是近十幾年發展起來的一種模數轉換方式，目前在音頻領域得到廣泛的應用。過采樣Σ△ADC由Σ△調制器和數字濾波器兩部分構成[6]，調制器是核心部分，其結構如圖5 所示。調制器利用積分和反饋電路，具有獨特的噪聲成型功能，把大部分量化噪聲移出基帶，因而過采樣Σ△ADC有著極高的精度，可達24位以上。
由于在進行Σ△調制時，采樣頻率通常是信號最高頻率的64～256倍，所以通常把這種模數轉換方式稱為過采樣Σ△模數轉換。模擬信號經過調制后，得到的是一位的高速Σ△數字流，包含著大量的高頻噪聲。因此還需要進行數字濾波，除去高頻噪聲和降頻，轉換后的數字信號以奈奎斯特頻率（信號最高頻率的2倍）輸出。
過采樣Σ△模數轉換的主要特點是：轉換的精度很高，可達24位以上；由于采用了過采樣調制、噪音成形和數字濾波等關鍵技巧，充分發揚了數字和模擬集成技術的長處，使用很少的模擬元件和高度復雜的數字信號處理電路達到高精度（16位以上）的目的；模擬電路僅占5％，大部分是數字電路，并且模擬電路對元件的匹配性要求不高，易于用CMOS技術實現。但Σ△轉換方式的采樣頻率過高，不適合處理高頻（如視頻）信號，這雖可通過高階的Σ△調制器來解決，但考慮到穩定性，一般只在3階以下。
3 總結及展望
由于模數轉換器在數字多媒體電子系統中應用的擴大，其市場呈穩步增長勢頭。同時人們對轉換器性能的要求越來越高，其技術難度越來越大，但是對模數轉換技術的研究開發更加活躍，不斷將產品向更高性能推進。如今，模數轉換技術已經變得復雜多樣，但由以上分析可以看出，它有著如下的發展趨勢：
結構不斷簡化。一方面減少制作難度相對較大、在芯片中特性匹配要求較高的部件的數量，減少高速比較器、寬帶運放、精密電阻等（如由全并行方式發展到兩步法、多步法，又發展到將信號預處理的折疊、內插法）；另一方面減少模擬部件，盡可能多地采用成熟的數字電路（如新發展的Σ△結構）。
轉換速度提高。如今采用折疊插值型的ADC產品轉換速度達到了8位/60MSPS。兩級流水型ADC的產品轉換速度達到了12位/4MSPS。
高速下盡可能的提高分辨率。如采用過采樣 Σ△模數轉換形式、流水線型轉換方式以及折疊插值型轉換方式，提高轉換器的分辨率。如今過采樣Σ△模數轉換方式，精度達到了24位以上。
總之，各種技術的運用以及集成電路工藝的發展，一定會把模數轉換推向速度快、精度高、成本低以及結構簡單的發展方向。
