消費(fèi)者期望驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的發(fā)展

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摘要：∑-△數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換架構(gòu)可以彌補(bǔ)流水線型和SAR架構(gòu)的性能差距，將為新一代的高性能和低成本終端解決方案打開(kāi)一道大門(mén)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；∑-△；流水線型；SAR；采樣率；ADC

未來(lái)一年中，蜂窩通信、醫(yī)療成像、消費(fèi)娛樂(lè)以及其它一些終端市場(chǎng)對(duì)性能不斷增加的需求將催生一種新型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換架構(gòu)，即連續(xù)時(shí)間∑-△架構(gòu)(CTSD)，該架構(gòu)在不犧牲速度的條件下提供了優(yōu)異的分辨率。在許多重要的終端應(yīng)用中都將受益于這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。例如，蜂窩基站可以捕獲較寬的頻譜，同時(shí)還能保持出色的分辨率，以便能夠在有超強(qiáng)信號(hào)時(shí)對(duì)其他微弱的信號(hào)進(jìn)行捕獲。這樣一來(lái)，將降低手機(jī)用戶在更廣的區(qū)域里的掉話率。

的確，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在非常廣泛的電子系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，而且這個(gè)范圍還在不斷擴(kuò)大。無(wú)論是醫(yī)療成像、工業(yè)還是消費(fèi)電子領(lǐng)域，從數(shù)字X光機(jī)到高清電視、GPS設(shè)備以及游戲機(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器都能提升終端用戶的體驗(yàn)。

過(guò)去，業(yè)界采用了各種的模數(shù)轉(zhuǎn)換架構(gòu)，這些架構(gòu)要么提供不錯(cuò)的分辨率，要么提供更高的轉(zhuǎn)換速度(或采樣率)。換句話說(shuō)，這里面都隱含著一個(gè)假定，即利用同一ADC同時(shí)實(shí)現(xiàn)極高的分辨率和超高速度是不可能的。例如，當(dāng)今最快的ADC，采樣率可以達(dá)到1GHz到2GHz，但分辨率通常限制到8位。另一方面，能夠提供18位乃至24位分辨率的轉(zhuǎn)換器，其采樣率卻只能達(dá)到1MHz到2MHz，對(duì)于24位ADC甚至更低。

如今的ADC：在速度和分辨率之間進(jìn)行折衷

在CTSD架構(gòu)出現(xiàn)之前，系統(tǒng)工程師都有明確的一系列選擇。當(dāng)采樣率超過(guò)幾MHz時(shí)，他們將選用流水線型ADC，此類ADC采用多級(jí)架構(gòu)，各級(jí)連續(xù)、并行地進(jìn)行一位到數(shù)位的采樣。在某個(gè)特定時(shí)鐘的每個(gè)周期的末尾，某指定級(jí)的輸出將傳遞到下一級(jí)，從而將新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到該級(jí)。通過(guò)將各級(jí)得到的數(shù)據(jù)位聯(lián)接到一起就得到最終的多位結(jié)果。

過(guò)去的幾年里，設(shè)計(jì)師推動(dòng)了流水線架構(gòu)的采樣速度和分辨率的提高。如今已經(jīng)可以獲得采樣率從幾MSPS到100MSPS以上，分辨率從8位到16位的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Databeans公司的調(diào)查，在整個(gè)ADC市場(chǎng)上，流水線型ADC應(yīng)用最廣泛，高達(dá)40％，其應(yīng)用范圍從CCD成像、超聲波醫(yī)療成像系統(tǒng)到蜂窩基站，以及像HDTV這類的消費(fèi)數(shù)字視頻應(yīng)用。

另一方面，當(dāng)應(yīng)用需要更高分辨率、采樣率低于約10MSPS時(shí)，逐次逼近型(SAR)ADC通常是優(yōu)選方案。此類器件采用了二進(jìn)制搜索算法來(lái)使信號(hào)收斂。為了處理快速變化的信號(hào)，SAR ADC具有采樣一保持(SHA)功能，這樣在轉(zhuǎn)換期間可以保持輸入信號(hào)不變。

SAR轉(zhuǎn)換器能夠提供8到18位的分辨率，而采樣率可以高達(dá)10MSPS，廣泛用于要求低噪聲、低功耗和封裝緊湊的系統(tǒng)中。典型應(yīng)用包括工業(yè)控制、多通道數(shù)據(jù)采集、便攜式／電池供電的儀器等。該架構(gòu)能以中等速率高精度地處理數(shù)據(jù)，故在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

彌合性能差距

流水線型和SAR ADC在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)上繼續(xù)保持著重要地位，在未來(lái)的若干年中仍將如此。盡管它們各具不同特點(diǎn)，但這兩種廣泛應(yīng)用的ADC架構(gòu)都有性能上的不足。流水線型ADC架構(gòu)能夠在更高的帶寬上提供出色性能，而SAR ADC則在低噪聲和低功耗方面更勝一籌，迄今為止還沒(méi)有哪一種ADC架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)這兩種性能的完美結(jié)合。然而在移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療、視頻、儀器和測(cè)試測(cè)量的新興應(yīng)用中，要求ADC能同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些性能。例如像MRI(核磁共振)系統(tǒng)這類的醫(yī)療應(yīng)用，就要求極高的分辨率，以便獲得更精密的診斷結(jié)果。此外，在所有的應(yīng)用中，低功耗特性也變得越來(lái)越重要。

CTSD ADC正在彌合這些性能差距。這種新技術(shù)采用了過(guò)采樣和噪聲整形的基本原理，還利用了一種創(chuàng)新的連續(xù)時(shí)間環(huán)路濾波架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低噪聲和高帶寬。

這種新架構(gòu)與傳統(tǒng)的流水線型和SAR器件在幾個(gè)方面都有很大不同：CTSD ADC采用連續(xù)時(shí)間積分器，而非離散時(shí)間積分器或電路；另外，CTSD ADC的采樣發(fā)生在位于量化器中的環(huán)路濾波器的輸出，而非ADC的輸入端；最后，與具有均勻分布的量化噪聲的流水線型和SAR架構(gòu)不同，CTSD ADC中的環(huán)路濾波器將帶內(nèi)的量化噪聲移至帶外。這些特性使得CTSD具有非常低的噪聲和高的帶寬，并且ADC輸入端的濾波要求更加寬松。

ADI公司正在采用這種新架構(gòu)開(kāi)發(fā)帶寬高達(dá)10MHz，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)86dB，而噪聲系數(shù)僅為15dB的ADC器件。CTSD架構(gòu)中固有的獨(dú)特性能，將使設(shè)計(jì)師可以大大減少、甚至完全不用再采用傳統(tǒng)信號(hào)鏈中通常所需的基帶濾波器、驅(qū)動(dòng)放大器和自動(dòng)增益控制。此外，通過(guò)在片上集成可編程帶寬抽取濾波器、采樣率轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘倍頻器，這種新型器件實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈，從而系統(tǒng)成本大大降低。所有這些優(yōu)點(diǎn)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以利用CTSD ADC來(lái)構(gòu)建一個(gè)新的信號(hào)鏈，為無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療成像、以及工業(yè)和儀器市場(chǎng)上一系列廣泛應(yīng)用提供大量的性能優(yōu)勢(shì)。

如今，從無(wú)線通信、工業(yè)到儀器和消費(fèi)電子，各類終端應(yīng)用中不斷升高的性能需求，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師如何選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。顯然，基于流水線型和SAR架構(gòu)的明確性能優(yōu)勢(shì)使得它們將繼續(xù)在許多應(yīng)用中得到選用。然而，能夠彌合上述兩種主要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換架構(gòu)性能差距的CTSD技術(shù)的出現(xiàn)，將為新一代的高性能和低成本終端解決方案打開(kāi)一道大門(mén)。