數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模擬與數(shù)字世界的橋梁

1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模擬與數(shù)字世界的橋梁 隨著電子技術(shù)水平的不斷發(fā)展， 作為從聯(lián)系真實自然界采集 或傳遞感官信息與數(shù)字處理、 存儲和傳輸所必備的橋梁紐帶， 數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換器（Data Converter ADC/DAC起著至關(guān)重要的作用，也 正是因為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，尤其是ADC的廣泛應(yīng)用，大大推動了數(shù)字 世界的長足發(fā)展和進步。 半導(dǎo)體供應(yīng)商也一直在不斷加大對此的 投入和技術(shù)創(chuàng)新。另外，與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能、集成度甚至成本息 息相關(guān)的芯片工藝技術(shù)水平也在不段進步。 而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能 決定了信號轉(zhuǎn)換效果的優(yōu)劣， 且在很大程度上決定了當(dāng)今數(shù)字設(shè) 備的性能。 市場年增 9% 隨著人們對信號捕捉能力的要求逐步提升， 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

2、換器的應(yīng) 用變得越來越廣泛， Gartner 預(yù)測，獨立的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品收入 將達到 8.9%的年均增長率，營收從 2009年 25.67 億美元增長至 2014年 39.37 億美元。增長點主要包 括高端醫(yī)療 /工業(yè)和測量應(yīng)用 （高平均售價 ）和低端消費類音 頻產(chǎn)品（量大） ，在醫(yī)療 /工業(yè)應(yīng)用的年均增長率為 10.2%，消費 類電子應(yīng)用則為 9.2%。市場調(diào)查公司 Databeans 預(yù)測， 2010 年 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的營收將有望比 2009 年增長 20%以上。從長期發(fā)展 來看， Databeans 預(yù)計到 2015 年，轉(zhuǎn)換器市場會繼續(xù)保持 9%的 年均增長率。 市場表現(xiàn)方面， ADI

3、是世界上最大的獨立的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 IC 供應(yīng)商，德州儀器（TI）緊隨其后，Maxim位列第三，Lin ear Technology 公司（凌力爾特 ）位居第四。歐勝微電子則是音頻編 解碼器的最大供應(yīng)商，不過面臨來自 Cirrus Logic 公司的激烈 競爭。 高性能多通道轉(zhuǎn)換器是未來轉(zhuǎn)換器技術(shù)的大趨勢， 同時要滿 足不同差異化的應(yīng)用需求?！?ADI 的市場策略是基于現(xiàn)今社會對 信號處理的實際要求， 用先進的轉(zhuǎn)換器技術(shù)及產(chǎn)品來為主要客戶 提升系統(tǒng)性能。這就是 ADI 能夠遠超競爭對手并占據(jù) 46%的市場 份額的原因”， ADI 公司轉(zhuǎn)換器部門副總裁 Dick Meaney 指出。 Gartner

4、 模擬半導(dǎo)體研究總監(jiān) Stephan Ohr 認(rèn)為，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 器市場對性能的要求越來越嚴(yán)格， 并滿足一些特殊性要求。 傳統(tǒng) 上，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的需求是轉(zhuǎn)換速率和精度。 速率以采樣率為 單位，精度則體現(xiàn)在位分辨率。 原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能每年都在 不斷提高 ; 而對更高精度和采樣率以及更高帶寬的需求在 2011 年將繼續(xù)存在。 這些數(shù)值若能達到優(yōu)良值就能夠幫助系統(tǒng)設(shè)計師 減小系統(tǒng)體積，降低復(fù)雜程度和信號鏈的能耗。當(dāng)然，與高速和 高分辨率一樣， 低功耗和更高集成度一直是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的必 然要求。在消費電子領(lǐng)域主要是音頻編 / 解碼器，競爭集中在將 A / D 轉(zhuǎn)換器和立體聲的 D / A 轉(zhuǎn)換器集

5、成在單芯片以及芯片成本 上。盡管價格壓力很大，不過，現(xiàn)在的音頻編解碼器通常還是包 括一個耳機放大器，電源管理器件和一個基于 DSP的音頻增強處 理器、3D音效擴展或噪音消除?；贔lash（快閃）和Pipeline（流 水線）技術(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器同樣在諸如高清視頻播放器等便攜產(chǎn)品 中得到廣泛應(yīng)用。 帶有更大ASSP專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品）的集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在成本和 性能方面的優(yōu)勢仍在被激烈地爭論。 許多手機應(yīng)用相同的穩(wěn)壓器 芯片將立體聲音頻編解碼器與電源管理集成到一起， 分立編解碼 器供應(yīng)商會說這是一種嚴(yán)重的音質(zhì)妥協(xié)， 因為編解碼器容易受到 開關(guān)噪聲的干擾 ; 但從市場反應(yīng)來看，越來越多的專門數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 器將逐

6、漸轉(zhuǎn)化為一個更加綜合應(yīng)用的特定部分。 高分辨率ADC既覽 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一個重要的應(yīng)用是信號的采集和傳輸， 這在通信 應(yīng)用中表現(xiàn)得極為明顯。在通信基礎(chǔ)設(shè)施方面，電信網(wǎng)絡(luò) （包括 3G和4G）承載的數(shù)據(jù)量日益增長，正考驗著中國通信基礎(chǔ)設(shè)施的 能力。這正是當(dāng)今DAC和ADC技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。 ADI公 司中國技術(shù)支持中心經(jīng)理聶海霞指出， 在所有類型的基站和無線 基礎(chǔ)設(shè)施（WIFR）系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計中，極高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）都 是占據(jù)主導(dǎo)地位的信號發(fā)生器。 現(xiàn)在它們還能執(zhí)行某些功能， 以 降低基帶處理器的負(fù)荷。 這為設(shè)計人員提供了靈活度， 使他們在 改善信號質(zhì)量的同時， 能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的設(shè)計、

7、 更低的成本以及 更低的功耗。這也意味著，設(shè)計人員越來越多地要求 DAC不僅能 支持傳統(tǒng)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，例如 GSM、 WCDM、ATD?CSCDM、A CDMA2000WiMAX LTE等，還要能滿足多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩基站和其它 一些應(yīng)用的需求，這些應(yīng)用采用了借助寬信號帶寬的復(fù)雜DPD數(shù) 字預(yù)失真）技術(shù)。DAC需要兼具性能和靈活性，特別是對于支持4 至6載波GSM專輸規(guī)范或其它通信標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。汽車、能源和航 空電子系統(tǒng)也存在高性能挑戰(zhàn)， 在這些應(yīng)用中， 轉(zhuǎn)換器的可靠性 是最重要特性之一。 轉(zhuǎn)換器必須達到特定的行業(yè)規(guī)格， 并具備很 長的生命周期。當(dāng)前，高分辨率 ADC成本正大幅降低，可為設(shè)計 人員帶來

8、諸多好處。 設(shè)計人員進行工業(yè)和數(shù)據(jù)采集項目設(shè)計時， 很可能會遇到以 下這些模數(shù)轉(zhuǎn)換問題： 對極寬動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號進行數(shù)字化處理，例如環(huán) 境聲壓計要能在60至80dB范圍內(nèi)檢測信號； 適應(yīng)不同來源且信號范圍截然不同的信號 ; 解析某一確定值的上下微小變化，旨在擴展以該點為中 心的范圍。 如果使用相對低分辨率的 ADC如10位有效分辨率，高電 平信號的分辨率可能接近 10 位。然而，對于低電平信號，如果 小于滿量程的 10%，其有效分辨率可能不超過 6 或 7 位。因此在 很多情況下，對于精度只有 1%的專感器來說，等效精度為 0.1% 的 10 位分辨率足夠了。然而，對于更低電平信號，有效分

9、辨率 可能小于 1%。 設(shè)計問題的解決之道 這些設(shè)計問題有很多解決方法，以下主要列出三種： 在相 對較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器（PGA）;將輸入信 號加在ADC之前連接的緩沖放大器；使用高分辨率ADC 下面逐一評估這些方法。 PGA法 歷史上，PGA方法曾經(jīng)非常流行，因為與較低成本 ADC配對 使用時，它比高分辨率ADC更具成本優(yōu)勢。此方法特別適用于輸 入信號接近0V但具有較寬動態(tài)范圍的情況。圖 1是集成PGA的 ADC原理示意圖。 這類似于過程控制系統(tǒng)， 需要監(jiān)控具有不同信號范圍的各種 傳感器信號， 例如聲壓計。 如果對較寬動態(tài)范圍的信號進行增益 范圍調(diào)整，所產(chǎn)生的最關(guān)鍵誤差是“交越不匹配”。 這意味著當(dāng)PGA切換到不同的增益值時，數(shù)字輸出可能在那 個點發(fā)生上下跳變。 因此，在每一級都必須小心匹配增益來降低 這種影響。從不同信號源中復(fù)用信號時，這個問題并不重要。然 而，這與系統(tǒng)是否針對每個信號設(shè)計固定增益有關(guān)， 如圖 2 所示， 或者對于較寬范圍信號輸入進行動態(tài)增益切換。 增益范圍調(diào)整方法會