數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在新興應(yīng)用中需滿足怎樣的要求

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是把模擬和數(shù)字世界聯(lián)系起來的關(guān)鍵信號模塊。它們把由傳感器、變送器以及熱電偶產(chǎn)生的信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而得到可供分析、處理、存儲并由計算機(jī)顯示的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實(shí)際上使得每一種應(yīng)用的功能得到增強(qiáng)，如在通信、網(wǎng)絡(luò)、儀器、工業(yè)過程控制、醫(yī)療和軍事航空領(lǐng)域、蜂窩基站接收機(jī)、機(jī)頂盒、便攜式收音機(jī)、有線電視基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測試設(shè)備以及工業(yè)和醫(yī)療成像系統(tǒng)等等，不一而足。

對高速通信、高分辨率顯示器、高性能音視頻等功能不斷增加的需求以及與日俱增的數(shù)字內(nèi)容，對信號調(diào)理電路提出了更為嚴(yán)格的性能要求，特別是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求上。

據(jù)市場分析公司Databeans的分析，2008年數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場比前一年增長了18%，并有望超越整個半導(dǎo)體行業(yè)的增長率。然而，2009年預(yù)計增長將大為放緩，僅僅為10%～12%。從長期來看，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場在2013年之前將以11%的年復(fù)合增長率持續(xù)發(fā)展。增長最快的領(lǐng)域在通信以及醫(yī)療成像市場。

2013年數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的單位出貨量將從2008年的27億美元增長至大約60億美元。2012年該市場將從2006年的20億美元增加至37億美元。然而，因市場和金融危機(jī)所致，這些產(chǎn)品的平均售價有望下降。

圖1：工業(yè)應(yīng)用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最大市場。

這是一個非常有利可圖的IC市場，因而吸引了許多新的進(jìn)入者，盡管該市場仍然由大多數(shù)模擬供應(yīng)商主宰。2008年ADI公司占據(jù)了整個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場47%的份額，TI和Maxim以19%和10%的份額緊隨其后。其它供應(yīng)商包括凌力爾特、Fairchild、Intersil、ST以及美國國家半導(dǎo)體（NS）。最后要提一下，高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場占有率在上升。2008年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場占整個標(biāo)準(zhǔn)線性器件市場總銷售收入的17%，并且大約相當(dāng)于整個模擬器件市場的7%。

高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的選擇是基于若干系統(tǒng)準(zhǔn)則，如分辨率、轉(zhuǎn)換速度、功率要求、物理尺寸、處理器兼容性以及接口結(jié)構(gòu)。ADC必須具備足夠的比特（bit）數(shù)以獲得應(yīng)用所需要的分辨率以及精度。

高速A/D轉(zhuǎn)換器跟蹤快速變化信號的方法是在各個時刻對信號幅度進(jìn)行數(shù)字采樣，它們已經(jīng)成為了區(qū)分需要信號采集以及處理的各種高性能設(shè)計的根本組成部分。其特點(diǎn)在于具有高分辨率以及每秒千兆采樣點(diǎn)的采樣速度。

許多新興的應(yīng)用需要高速A/D轉(zhuǎn)換器，以提供在處理高頻輸入信號中的更佳動態(tài)性能。例如，在無線基站中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換確保獲得出眾的語音質(zhì)量。高速A/D轉(zhuǎn)換器是需要信號下行變換的通信系統(tǒng)的關(guān)鍵;在嵌入式和DSP處理中，最新一代的網(wǎng)絡(luò)切換就需要外部高性能模擬元器件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能要求與DSP的要求密切相關(guān)。實(shí)際上，大多數(shù)應(yīng)用均采用DSP來處理由各種傳感器采集的模擬信號中的信息。對ADC的選擇常常也依賴于模擬信號被讀出的方式。除了分辨率和速度之外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的其他性能，如時鐘系統(tǒng)以及電路板信號的布線對于最終應(yīng)用也至關(guān)重要。

分辨率、轉(zhuǎn)換速度以及功耗不再是選擇A/D轉(zhuǎn)換器的唯一準(zhǔn)則，其它準(zhǔn)則包括有效數(shù)字位（ENOB）、信噪比（SNR）、無雜散動態(tài)范圍（SFDR）以及信道隔離度。例如，蜂窩基站對原始bit分辨率的要求就不如對SNR（它使得蜂窩信道數(shù)更多）以及SFDR（它允許在存在強(qiáng)干擾信號時檢測出弱信號）的要求高。

目前上市的新一代ADC給新興市場帶來了更高的性能以及更低的成本。高速12bit轉(zhuǎn)換器正首次向新興的應(yīng)用供貨。例如，機(jī)頂盒需要10bit和12bit的分辨率，以及針對視頻信號捕獲的MHz級采樣率。從設(shè)計和工藝技術(shù)的觀點(diǎn)來看，這些ADC的性價比已經(jīng)最優(yōu)化。在高性能的A/D轉(zhuǎn)換器中，噪聲和功耗是關(guān)鍵的參數(shù)。

另一個重要的要求就是小外形。正是因?yàn)檫@一原因，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商也投資于先進(jìn)的封裝技術(shù)。

TI公司最近推出了業(yè)內(nèi)第一款單信道D/A轉(zhuǎn)換器家族，它以SC70封裝供貨，比標(biāo)準(zhǔn)的SOT23器件要小40%。其特點(diǎn)在于具有1.8V@80μA的低功耗，因此，這些器件對于電池供電和手持應(yīng)用、自動測試設(shè)備、精密儀器、波形發(fā)生器、工業(yè)過程控制以及醫(yī)療設(shè)備是有吸引力的。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商承諾針對特殊的應(yīng)用推出產(chǎn)品。

通用器件與之相反，其特點(diǎn)在于采樣速度要低一個數(shù)量級，并且更加適合監(jiān)控系統(tǒng)以及采集諸如溫度和電壓這樣的控制參數(shù)。這種元器件的一個例子就是ADI的AD7294ADC，它是一種高度集成的器件，提供了諸如電流、電壓以及溫度感測這樣的通用目的監(jiān)測應(yīng)用所需要的所有功能。這種轉(zhuǎn)換器在一個芯片上集成了對電流、電壓和溫度進(jìn)行感測和控制所需要的全部功能。

圖2：針對醫(yī)療應(yīng)用的ADC的選擇以若干準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，如分辨率、轉(zhuǎn)換速度、功耗要求、物理尺寸以及接口結(jié)構(gòu)。

為了獲得所需要的性能，在確保時鐘速度和精度以及PCB（印制電路板）設(shè)計時，要掌握高速數(shù)字、線性、RF（射頻）以及一些儀器技術(shù)方面的設(shè)計技能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，獲得完整的參考設(shè)計是關(guān)鍵。

采用分立ADC，還是集成ADC

最近幾年，模擬設(shè)計工程師也趨向于越來越多地采用系統(tǒng)級設(shè)計方法。

ADC越來越多地被實(shí)現(xiàn)在SoC（系統(tǒng)芯片）上，特別是用于移動通信系統(tǒng)的ADC。最新一代的消費(fèi)和移動通信系統(tǒng)需要延長電池壽命，正是出于這一考慮，廠家制造了低壓供電的SoC。因此，ADC也被集成進(jìn)低壓供電的SoC之中。

嵌入式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在消費(fèi)電子應(yīng)用中受到了歡迎，在該領(lǐng)域的應(yīng)用中，至關(guān)重要的是以最小的空間來集成各種系統(tǒng)，但是，付出的代價是性能欠最優(yōu)化。

市場存在越來越多地把混合信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成進(jìn)SoC（系統(tǒng)芯片）之中的需求。

這就給設(shè)計工程師提出了新的挑戰(zhàn)：在數(shù)字域是專家的設(shè)計團(tuán)隊(duì)，在集成模擬IP的過程中面臨新的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步說，把混合信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成進(jìn)SoC之中，滿足所需要的性能，代表著一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)，并且它會給項(xiàng)目引入高風(fēng)險。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器代表著在模擬IP市場一個日益增長的領(lǐng)域。在市場上有大量的嵌入式轉(zhuǎn)換器IP，其中，每一種嵌入式轉(zhuǎn)換器IP均被設(shè)計為滿足特定的用戶需求。

例如，模擬與混合信號IP核提供商CosmicCircuits公司已經(jīng)宣布，其產(chǎn)品線中有超過20個A/D轉(zhuǎn)換器核是用于監(jiān)控應(yīng)用的。其IP核產(chǎn)品線包括分辨率為8～10bit的A/D轉(zhuǎn)換器，以及速度從200 Ksps至20Msps的A/D轉(zhuǎn)換器，它們通常被用于監(jiān)控應(yīng)用。這些A/D轉(zhuǎn)換器的理想應(yīng)用包括觸摸屏控制和電池電壓、溫度、RF功率電平、電源電平等的監(jiān)測，以及傳感器驅(qū)動和若干控制環(huán)路的應(yīng)用。

相比之下，在高性能應(yīng)用中分立器件受到歡迎，因?yàn)樗鼈兿鄬τ谇度胧紸/D轉(zhuǎn)換器來說提供更高的性能以及較大的靈活性。正是出于這個原因，它們在高端應(yīng)用中受到歡迎。

在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求

新級別的高性能、小外形、低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供高速響應(yīng)、多信道以及低延遲，這些是非常重要的工業(yè)以及醫(yī)療應(yīng)用所特別需要的。

工業(yè)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最大市場。出于提高生產(chǎn)效率、控制庫存以及縮短上市時間等考慮，工業(yè)精密設(shè)備工程師采用具有多信道的模塊化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。設(shè)計工程師依賴于客戶的需要，要求靈活性地改變分辨率并快速地改變信道數(shù)。

Microchip公司的MCP3001 10bitADC在小的封裝中實(shí)現(xiàn)了高性能及低功耗，使之成為嵌入式控制應(yīng)用的理想選擇。該器件的特色在于采用了逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，讓10bitADC的性能可被添加至該公司的PIC系列單片機(jī)中。MCP3001的應(yīng)用包括數(shù)據(jù)采集、儀表和車輛、多信道數(shù)據(jù)記錄器、工業(yè)PC、電機(jī)控制、機(jī)器人、工業(yè)自動化、智能傳感器、便攜式儀器以及家庭醫(yī)療設(shè)備。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在醫(yī)療電子應(yīng)用中也發(fā)揮越來越大的作用。據(jù)市場分析公司Prismark Partners分析，醫(yī)療設(shè)備市場占全球電子行業(yè)營業(yè)額的4%，且營收以每年平均5.6%的速率增長，到2010年將達(dá)到660億美元的市場規(guī)模。醫(yī)療電子設(shè)備包括可植入式設(shè)備、診斷儀器以及監(jiān)測設(shè)備。該市場將由個人便攜式醫(yī)療設(shè)備的爆炸式增長點(diǎn)燃，這些個人便攜式醫(yī)療設(shè)備越來越緊湊，并將在精度、成本以及簡便性上持續(xù)獲得改善。便攜式醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，如血液分析或血壓測量系統(tǒng)，讓人們能夠方便地檢查身體;這些設(shè)備被用于遠(yuǎn)程監(jiān)測病人的關(guān)鍵參數(shù);這些設(shè)備被放置在家中，醫(yī)院以及急救車可進(jìn)行非見面式（non-invasive）治療。大多數(shù)便攜式監(jiān)測以及醫(yī)療成像系統(tǒng)均設(shè)計為從病人那里接收某種信號的傳感器陣列。

因此，這些設(shè)備需要對信號調(diào)理電路進(jìn)行一些組合，包括放大器、濾波器以及把從傳感器讀出的模擬讀數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的ADC，之后，這些數(shù)據(jù)才能存儲在醫(yī)療設(shè)備的存儲器或在顯示屏上顯示。除了尺寸小之外，模擬電路—特別是ADC的性能—是精確讀出傳感器的輸出的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還應(yīng)具有低功耗的特點(diǎn)，以提供更長的電池壽命以及更長時間的讀數(shù)。

醫(yī)療用ADC的選擇要基于若干準(zhǔn)則，如分辨率、轉(zhuǎn)換速度、功率要求、物理尺寸以及接口結(jié)構(gòu)。ADC必須具有足夠的比特以獲得精度規(guī)范所要求的分辨率。典型的要求包括至少12bit的分辨率以及1Msps或以上的轉(zhuǎn)換速度。醫(yī)療應(yīng)用既需要高轉(zhuǎn)換速率（大于40～50Msps）以及精密的ADC，也需要與處理器兼容，以免采用額外的膠合邏輯;因此，對ADC架構(gòu)、接口結(jié)構(gòu)以及ADC時序的選擇均與系統(tǒng)處理器的選擇有關(guān)。

便攜式醫(yī)療應(yīng)用通常采用SAR ADC。該架構(gòu)是測量從穩(wěn)態(tài)至幾MHz信號的理想選擇。這些ADC還具有響應(yīng)快和延遲低的特點(diǎn)。另一個突出優(yōu)點(diǎn)是功耗低，它隨著采樣率而變化，與其它的ADC架構(gòu)如閃爍或流水線型ADC不同。

ADI推出了稱為PulSAR的16bit SARADC，其采樣率在6Msps至10Msps間，鎖定的是新一代數(shù)字X射線系統(tǒng)、磁共振成像（MRI）設(shè)備以及計算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)系統(tǒng)。PulSAR家族ADC以CMOS工藝為基礎(chǔ)，ADC架構(gòu)具有零數(shù)據(jù)延遲率，它是精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

凌力爾特公司推出的LTC2366 12bit SARADC的工作速度高達(dá)3Msps，工作電壓從2.35V至3.6V;該器件以最大輸出速率工作時僅消耗7.2mW功率，比市場上類似器件的功耗少20%。因外形尺寸的減小以及功耗非常低，LTC2366成為各種便攜式應(yīng)用的選擇之一，包括醫(yī)療設(shè)備。

Maxim推出的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MAX1329集成了精密的、用于信號調(diào)理以及感測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。MAX1329的特點(diǎn)在于具有基于SAR的16bit分辨率的ADC，因此，是諸如血糖傳感器等應(yīng)用的理想選擇。

通信應(yīng)用對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求

高性能12、14和16bit器件是下一代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，它們把現(xiàn)有的技術(shù)推向了新的極限。高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換是把發(fā)射和接受鏈路數(shù)字化的關(guān)鍵。這種技術(shù)不僅對ADC的性能提出了重要的要求，而且對新的靈活性和簡化性提出了要求。無線基站需要更多的信道以支持復(fù)雜的新興空中接口標(biāo)準(zhǔn)，這就迫切需要更快和更低功耗的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

NS不久前推出了16bit 130MSPS ADC，其特點(diǎn)在于具有高線性性能以及低功耗，應(yīng)用鎖定在特別高容量、高性能多標(biāo)準(zhǔn)無線基站接收機(jī)。

此外，富士通微電子歐洲（FME）公司已經(jīng)開始供應(yīng)基于新的充電模式交織采樣器技術(shù)（CHAIS）的新型超快ADCIP。這一架構(gòu)使得在單芯片上集成多顆ADC以及幾百萬門的信號處理邏輯以及存儲器成為可能。它不需要采用昂貴的多芯片模塊（MCM）技術(shù)。其ADC的特點(diǎn)在于采樣率高達(dá)100Gsps，采用65nmCMOS工藝技術(shù)制造，預(yù)計2009年可以開始供貨。該技術(shù)的應(yīng)用最初鎖定100G光傳輸，也可用于高端測試設(shè)備以及任何需要高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理的其它系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的、通常采用SiGe工藝技術(shù)制造的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，這些器件提供更低的功耗、更小的外形。（周智勇譯）

圖3：許多新興的應(yīng)用需要高速ADC，以提供處理高頻輸入信號時需要的更高動態(tài)性能。例如，在無線基站中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換確保提供較高的語音質(zhì)量。

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