新興應(yīng)用給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提出新要求

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摘要：新一級(jí)別的高性能、小外形、低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為大多數(shù)重要的工業(yè)、醫(yī)療以及通信等應(yīng)用提供了特別需要的高速響應(yīng)、多信道以及低延遲等性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；信號(hào)調(diào)理；模擬IP；基站；醫(yī)療電子

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是把模擬和數(shù)字世界聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵信號(hào)模塊。它們把由傳感器、變送器以及熱電偶產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而得到可供分析、處理、存儲(chǔ)并由計(jì)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(guò)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(cè)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(duì)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(duì)信號(hào)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(chǎng)分析公司Databeans的分析，2008年數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)比前一年增長(zhǎng)了18％，并有望超越整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的增長(zhǎng)率。然而，2009年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)將大為放緩，僅僅為10％-12％。從長(zhǎng)期來(lái)看，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)在2013年之前將以11％的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)發(fā)展。增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域在通信以及醫(yī)療成像市場(chǎng)。

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(zhǎng)至大約60億美元。2012年該市場(chǎng)將從2006年的20億美元增加至37億美元。然而，因市場(chǎng)和金融危機(jī)所致，這些產(chǎn)品的平均售價(jià)有望下降。

這是一個(gè)非常有利可圖的IC市場(chǎng)，因而吸引了許多新的進(jìn)入者，盡管該市場(chǎng)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(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)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(guó)國(guó)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(chǎng)占有率在上升。2008年數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)占整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性器件市場(chǎng)總銷售收入的17％，并且大約相當(dāng)于整個(gè)模擬器件市場(chǎng)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)換速率、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(hào)的方法是在各個(gè)時(shí)刻對(duì)信號(hào)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(hào)采集以及處理的各種高性能設(shè)計(jì)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(hào)中的更佳動(dòng)態(tài)性能。例如，在無(wú)線基站中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換確保獲得出眾的語(yǔ)音質(zhì)量。高速A／D轉(zhuǎn)換器是需要信號(hào)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(lái)處理由各種傳感器采集的模擬信號(hào)中的信息。對(duì)ADC的選擇常常也依賴于模擬信號(hào)被讀出的方式。除了分辨率和速率之外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的其他性能，如時(shí)鐘系統(tǒng)以及電路板信號(hào)的布線對(duì)于最終應(yīng)用也至關(guān)重要。

分辨率、轉(zhuǎn)換速率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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)以及信道隔離度。例如，蜂窩基站對(duì)原始bit分辨率的要求就不如對(duì)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(hào)時(shí)檢測(cè)出弱信號(hào))的要求高。

目前上市的新一代ADC給新興市場(chǎng)帶來(lái)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(duì)視頻信號(hào)捕獲的MHz級(jí)采樣率。從設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看，這些ADC的性價(jià)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(gè)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9C70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(duì)于電池供電和手持應(yīng)用、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、精密儀器、波形發(fā)生器、工業(yè)過(guò)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(duì)特殊的應(yīng)用推出產(chǎn)品。

通用器件與之相反，其特點(diǎn)在于采樣速率要低一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)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(cè)這樣的通用目的監(jiān)測(cè)應(yīng)用所需要的所有功能。這種轉(zhuǎn)換器在一個(gè)芯片上集成了對(duì)電流、電壓和溫度進(jìn)行感測(cè)和控制所需要的全部功能。

為了獲得所需要的性能，在確保時(shí)鐘速度和精度以及PCB(印制電路板)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)技能。

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

采用分立ADC，還是集成ADC

最近幾年，模擬設(shè)計(jì)工程師也趨向于越來(lái)越多地采用系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法。

ADC越來(lái)越多地被實(shí)現(xiàn)在SoC(系統(tǒng)芯片)上，特別是用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的ADC。最新一代的消費(fèi)和移動(dòng)通信系統(tǒng)需要延長(zhǎng)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(lái)集成各種系統(tǒng)，但是，付出的代價(jià)是性能欠最優(yōu)化。

市場(chǎng)存在越來(lái)越多地把混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成進(jìn)SoC之中的需求。

這就給設(shè)計(jì)工程師提出了新的挑戰(zhàn)：在數(shù)字域是專家的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，在集成模擬IP的過(guò)程中面臨新的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步說(shuō)，把混合信號(hào)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(huì)給項(xiàng)目引入高風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器代表著在模擬IP市場(chǎng)一個(gè)日益增長(zhǎng)的領(lǐng)域。在市場(chǎng)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(jì)為滿足特定的用戶需求。

例如，模擬與混合信號(hào)IP核提供商Cosmic Circuits公司已經(jīng)宣布，其產(chǎn)品線中有超過(guò)20個(gè)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，以及從200Ksps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(cè)，以及傳感器驅(qū)動(dòng)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?duì)于嵌入式A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)提供更高的性能以及較大的靈活性。正是出于這個(gè)原因，它們?cè)诟叨藨?yīng)用中受到歡迎。

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

新級(jí)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(chǎng)。出于提高生產(chǎn)效率、控制庫(kù)存以及縮短上市時(shí)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(jì)工程師依賴于客戶的需要，要求靈活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10bit ADC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(dòng)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(lái)越大的作用。據(jù)市場(chǎng)分析公司PrismarkPartners分析，醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)占全球電子行業(yè)營(yíng)業(yè)額的4％，且營(yíng)收以每年平均5.6％的速率增長(zhǎng)，到2010年將達(dá)到660億美元的市場(chǎng)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(cè)設(shè)備。該市場(chǎng)將由個(gè)人便攜式醫(yī)療設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)點(diǎn)燃，這些個(gè)人便攜式醫(yī)療設(shè)備越來(lái)越緊湊，并將在精度、成本以及簡(jiǎn)便性上持續(xù)獲得改善。便攜式醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如血液分析或血壓測(cè)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(cè)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(jiàn)面式(non-invasive)治療。大多數(shù)便攜式監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療成像系統(tǒng)均設(shè)計(jì)為從病人那里接收某種信號(hào)的傳感器陣列。

因此，這些設(shè)備需要對(duì)信號(hào)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(chǔ)在醫(yī)療設(shè)備的存儲(chǔ)器或在顯示屏上顯示。除了尺寸小之外，模擬電路一特別是ADC的性能—是精確讀出傳感器輸出的關(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(zhǎng)的電池壽命以及更長(zhǎng)時(shí)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)換速率、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)換速率。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(duì)ADC架構(gòu)、接口結(jié)構(gòu)以及ADC時(shí)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(cè)量從穩(wěn)態(tài)至幾MHz信號(hào)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(gè)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(jì)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 12bitSAR ADC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(shí)僅消耗7.2mW功率，比市場(chǎng)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(hào)調(diào)理以及感測(cè)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(duì)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(duì)ADC的性能提出了重要的要求，而且對(duì)新的靈活性和簡(jiǎn)化性提出了要求。無(wú)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(wú)線基站接收機(jī)。

此外，富士通微電子歐洲(FME)公司已經(jīng)開(kāi)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ADC IP。這一架構(gòu)使得在單芯片上集成多顆ADC以及幾百萬(wàn)門的信號(hào)處理邏輯以及存儲(chǔ)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65nm CMOS工藝技術(shù)制造，預(yù)計(jì)2009年可以開(kāi)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(cè)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。