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视频速度模数转换器
视频速度模数转换器（video-speed AD converter）是指针对视频速度将模拟信号转变为数位讯号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数位讯号。由于数位讯号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标準，比较常见的参考标準为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
基本介绍
- 中文名：视频速度模数转换器
- 外文名：video-speed Analog Digital converter
- 涉及学科：信息科学
- 实质：模数转换器
- 又称：视频速度A/D转换器
- 缩写：VADC
转换器基本概念
真实的世界是模拟的世界，随着积体电路设计技术和製造工艺的进步，信号的处理越来越多的以数位讯号的方式进行，数字电路处理信号的速度越来越快，精度也越来越高，模数转换器(Analog Digital Converter)和数模转换器(DigitalAnalog Converter)是连线模拟世界和数字世界的桥樑，数字电路处理速度和精度的日益提高对转换器的要求也越来越高。
从图可以看出模数和数模转换器在信号处理系统中所处的位置。以视频信号的处理流程为例进行简单的说明:
- 1.通常感测器会先感应，将自然的光影像转化为模拟信号输入。
- 2.转化得到的模拟信号会先进行放大，为了避免信号的高频干扰成份在模数 转换后折射到低频区域，模拟信号会先进行抗混叠滤波(Antiabasing filter)，再进行模数转换。
- 3.滤波后的模拟视频信号通过ADC变成数字视频信号，数字视频信号可通过数位讯号处理电路进行滤波/图像处理/压缩的动作。
- 4.当需要将该视频信号输出时，将数字电路处理过的视频信号先经过数模转换器转化为模拟信号，由于数模转换器直接输出的信号仍然带有时钟台阶(step)，所以会再经过光滑滤波器(smooth filter)后再输出。
- 5.通常模拟视频接口包含CVBS接口，VGA接口以及YUV接口。
模数转换器
简介
模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数位讯号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数位讯号。由于数位讯号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标準，比较常见的参考标準为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
回响类型
大多数模拟数字转换器的回响类型为线性，这里的“线性”是指，输出信号的大小与输入信号的大小成线性比例。
一些早期的转换器的回响类型呈对数关係，由此来执行A-law算法或μ-law算法编码。
误差
模拟数字转换器的误差有若干种来源。量化错误和非线性误差（假设这个模拟数字转换器标称具有线性特徵）是任何模拟数字转换中都存在的内在误差。也有一种被称作孔径错误（aperture error），它是由于时钟的不良振荡，且常常在对时域信号数位化的过程中出现。
这种误差用一个称为“最低有效位”的参数来衡量。
採样率
模拟信号在时域上是连续的，因此可以将它转换为时间上连续的一系列数位讯号。这样就要求定义一个参数来表示新的数位讯号採样自模拟信号速率。这个速率称为转换器的採样率或採样频率。
可以採集连续变化、频宽受限的信号（即每隔一时间测量并存储一个信号值），然后可以通过插值将转换后的离散信号还原为原始信号。这一过程的精确度受量化误差的限制。然而，仅当採样率比信号频率的两倍还高的情况下才可能达到对原始信号的忠实还原，这一规律在採样定理有所体现。
由于实际使用的模拟数字转换器不能进行完全实时的转换，所以对输入信号进行一次转换的过程中必须通过一些外加方法使之保持恆定。常用的有採样-保持电路，在大多数的情况里，通过使用一个电容器可以存储输入的模拟电压，并通过开关或门电路来闭合、断开这个电容和输入信号的连线。许多模拟数字转换积体电路在内部就已经包含了这样的採样-保持子系统。
混叠
所有的模拟数字转换器以每隔一定时间进行採样的形式进行工作。因此，它们的输出信号只是对输入信号行为的不完全描述。在某一次採样和下一次採样之间的时间段，仅仅根据输出信号，是无法得知输入信号的形式的。如果输入信号以比採样率低的速率变化，那幺可以假定这两次採样之间的信号介于这两次採样得到的信号值。然而，如果输入信号改变过快，则这样的假设是错误的。
如果模拟数字转换器产生的信号在系统的后期，通过数字模拟转换器，则输出信号可以忠实地反映原始信号。如经过输入信号的变化率比採样率大得多，则是另一种情况，模拟数字转换器输出的这种“假”信号被称作“混叠”。混叠信号的频率为信号频率和採样率的差。例如，一个2千赫兹的正弦曲线信号在採样率在1.5千赫兹採样率的转换后，会被重建为500赫兹的正弦曲线信号。这样的问题被称作“混叠”。
为了避免混叠现象，模拟数字转换器的输入信号必须通过低通滤波器进行滤波处理，过滤掉频率高于採样率一半的信号。这样的滤波器也被称作反锯齿滤波器。它在实用的模拟数字转换系统中十分重要，常在混有高频信号的模拟信号的转换过程中套用。
儘管在大多数系统里，混叠是不希望看到的现象，值得注意的是，它可以提供限制频宽高频信号的同步向下混合（simultaneous down-mixing ，请参见採样过疏和混频器）。
数模转换器性能参数
数模转换器的性能包含静态性能、动态性能和瞬态性能。静态性能包含失调误差(offset errors)、增益误差(gain errors)、积分非线性(Integral NonLinearity，即INL),微分非线性(Differential NonLinearity，即DNL)、以及单调性(Monotonicity);动态性能包含信噪比(SNR)、信噪失真比Signal to Noise and Distortion Ratio，即SNDR),有效位数(Effective Number of Bits)、以及总谐波失真(Total Harmonic Distortion,即THD ) ;瞬态性能包含建立时间(settling time)和毛刺能量(Cllitoh energy，
下面分别介绍每个性能参数的含义：
1.失调误差:实际数模转换器和理想数模转换器输出存在固定的偏移，偏移量以LSB来表示，如图，失调误差=0.3LSB 。
2.增益误差:实际数模转换器和理想数模转换器的输出曲线存在增益误差，其定义为实际数模转换器最大电压减去理想数模转换器最大电压，单位为LSB，如图的例子，增益误差=0.7LSB 。
3.积分非线性(INL):相同输入数字码时，实际数模转换器的输出减去其对应的理想数模转换器输出，单位为LSB。
4.微分非线性(DNL ):实际数模转换器在相邻码递增切换时的电压跳变的幅度((LSB)和1LSB的差值。
下图分别举例说明了INL和DNL的定义。实际上从数学关係来看，INL的微分结果即是DNL, DNL的积分结果即是INL 。
5.单调性:单调性是指数模转换器输入在逐渐增加时，输出也是逐步增加的，若输入增加，输出却减小，此时即呈现非单调性，如下图左图是单调性的，右图是非单调性的，此时DNL会小于-1LSB。
6.信噪比(SNR:即信号功率比上噪声功率(dB)，前面己经证实过，理想N位数模转换器SNRMax=6.02N+1.76 dB，实际SNR会小于理想值。
7.信噪失真比(SNDR):即信号功率比上噪声功率加谐波功率(dB )，噪声包含量化噪声和干扰噪声等等，失真则是因数模转换器的非线性输出一输入关係所引起的，在频谱上出现信号谐波。
8.有效位数(ENOB):实际数模转换器的SNDRREaL会小于理想情况，由上面的公式反推可以得到:ENOB= ( SNDRREAL.-1.76 ) /6.02 。
9.总谐波失真(THD):所有阶谐波的总能量称为总谐波失真(单位为 dB )
10.建立时间:输入二进制码切换时，输出电压建立到一定精度範围内所需要的时间，通常精度取0.5LSB，该性能反映了数模转换器的速度
11.毛刺能量:输入切换时在输出呈现的短时间脉冲，成为毛刺，毛刺能量用该毛刺的面积表征，单位为pS*V。
适应视频速度的电流舵数模转换器
Unary结构
Unary电流舵数模转换器的分析方式和电阻分压类型数模转换器分析方式类似，图左边是二比特的电阻分压DAC，右图是二比特电流舵数模转换器。前者需要2-4解码器来控制开关选择某个分压点的电压作为转换器输出，而后者则需要二进制到温度计码的转换电路，二进制输入每增加‘1'，流到负载RL的电流就会多IO。
N比特电阻分压型DAC需要2N个电阻，电流舵DAC则需要2N-1个电流单元。电阻分压型数模转换器利用电阻对基準电压VREF分压产生1LSB的电压，I LSB=VREF/2N，电流舵DAC由单位电流IO流过电阻负载RL产生的压降IO*RL产生1LSB的电压，所以电流舵DAC中的IO和位数以及RL的大小决定了VouT的幅度，VouT=(2N- I ) *RL*IO 。
很明显，上图的两种数模转换器的输出电压特性均为单调性的。
两种数模转换器的微分非线性误差(DNL)均由单个器件的精度所决定，所以DNL会比较小，假设单元电流IO的标準偏差(Standard Deviation)为σ(I)，则DNL大小为σ(I)/IO，而INL和流到RL上的单元电流个数n有关，INL大小为n1/2* σ(I)/IO
二进制权重
下图是5比特二进制权重的数模转换器的实现方式，总共只有5个二进制编码的电流单元，即后一个电流大小是前一个的两倍，5比特二进制输入直接控制5个开关，用以确定流到负载RL的电流大小，形成模拟电压输出Vout。
此方式实现的数模转换器控制非常简单，N比特数字输入码直接依次加在二进制加权电流单元开关上，不需要任何的解码动作。为了达到比较好的版图匹配，n*IO电流单元由n个单独的IO单元来实现。二进制加权数模转换器的缺点就是DNL 比较差，理论上来讲，最差的DNL发生在MSB(Most significant Bit)的转换:
即0111...111到1000 ...000之间的转换，此时所有电流单元开关都有开/关互换的动作。
假设单个电流单元的标準偏差为σ(I)，根据统计学原理，可以简单的求得最差DNL为(2N _1)1/2*σ(I)/IOo。 INL偏差和Unary数模转换器是一样的。
分段组合
由前面的分析可知Unary解码方式比二进制权重方式能够实现更高的精度，但是其数字解码电路的複杂性以及功耗在高解析度的要求下是以2的指数的方式增大，所以变的难以接受。对于更高精度的数模转换器，一般用两种方式相结合的方式来实现，即分段组合法方式(Segmented Architecture）。其中MSB部分由Unary方式来实现，达到高解析度，LSB部分由Binary Weighted方式来实现，以节省Digital部分的面积。
如图是简单的3+3结构的分段数模转换器，低三位是二进制权重结构，电流源大小分别为1*I0,2*I0,4*IO，总电流为7*IO;高三位由Unary结构来实现，每个电流源的电流大小为8*IO。
可以知道最差微分非线性误差发生低三位二进制权重电流全部开/关以及单个Unary电流源关/开的时候。最差DNL为(2n+1_1)1/2* σ(I)/IO，其中n为LSB二进制权重DAC的位数，此例的值为3。
一般对于N比特电流舵数模转换器来讲，如果规定了输出电压的幅度以及电阻负载的大小，那最小单元的电流也就确定:Iunit=VSWING/(RL*2N)，所以不管以哪种结构来实现电流舵DAC，电流单元矩阵的电流消耗都是一致的，不同的是数字电路部分会存在差别，Unary解码器将二进制输入解码为温度计码，占用的比特数越多，则解码电路越複杂，功率消耗也就越大，但同时精度也就会越高;二进制码占用的比特数越多，解码电路越简单，面积和功耗相对也就小，但是精度会相对差一些，所以在实际设计中要根据代工厂提供的工艺(Process)结合实际情况进行折衷(Tradeoff)。