A/D器件的發(fā)展

林朋飛，陳少昌

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

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A/D器件的發(fā)展

林朋飛，陳少昌

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

A/D器件是整個通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在，也是整個系統(tǒng)的瓶頸，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)一直投入大量的物力、人力、財力致力于A/D器件的研究。通過分析總結(jié)A/D器件的國內(nèi)外發(fā)展近況，總結(jié)得出了A/D器件的發(fā)展瓶頸，即采樣速率的不斷提高帶來的孔徑抖動問題以及ADC采樣電路固有的限制。必須解決瓶頸問題，才能設(shè)計實現(xiàn)更高性能的A/D器件。

A/D器件；發(fā)展近況；瓶頸；孔徑抖動

引用格式：林朋飛，陳少昌. A/D器件的發(fā)展[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：13-15,18.

0　引言

為了降低通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)通用化、功能軟件化，早在1992年MITOLA J就提出了軟件無線電，而實現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵步驟是把通信系統(tǒng)中的ADC和DAC向射頻端靠攏，最理想情況是天線接收的射頻信號直接進(jìn)入ADC[1]。隨著COMS集成電路工藝的迅速發(fā)展，相對于模擬電路來說，數(shù)字電路集成度高、抗干擾強(qiáng)、易于實現(xiàn)和成本低的優(yōu)勢越來越明顯。因此，數(shù)字電路常用來代替模擬電路以完成信號的處理。然而現(xiàn)實中信號大多是模擬的，比如溫度、聲音、圖像和壓力等模擬信號。因此就需要連接模擬信號與數(shù)字信號的橋梁——模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將現(xiàn)實世界中的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的接口器件，是聯(lián)系現(xiàn)實世界中模擬信號和數(shù)字信號的橋梁，是數(shù)字信號技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，ADC得到了廣泛的應(yīng)用。高速ADC被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如雷達(dá)、通信、電子對抗、測控、醫(yī)療、儀器儀表、高性能控制器以及數(shù)字通信系統(tǒng)等。但是ADC的發(fā)展速度仍不能滿足數(shù)字信號處理的需要。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)性能，更好地接收處理信號，MITOLA J提出了軟件無線電(Software Radio)技術(shù)，即在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對信號的處理。它要求ADC能夠?qū)? MHz～2 GHz的通信頻段進(jìn)行處理，并要求有效位數(shù)達(dá)到12～14 bit，這就對ADC提出了更高的要求[2]。高性能的ADC已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)字信號處理系統(tǒng)中不可或缺的一部分，研究高速度、高分辨率、低功耗的ADC成為了新的發(fā)展趨勢，也是國內(nèi)外研究的熱點和難點，因此對ADC的應(yīng)用研究具有重要意義。

1　A/D器件的國外發(fā)展情況

1.1工業(yè)界的A/D器件

在工業(yè)界中，全球知名A/D器件公司對于高精度、高速率A/D器件的設(shè)計研發(fā)已經(jīng)成熟。在美國德州儀器公司收購了國家半導(dǎo)體公司之后，德州儀器公司的中高精度、 超高速ADC體系已經(jīng)越發(fā)完善。例如其產(chǎn)品ADS1282-HT就是一款分辨率為31 bit、采樣率為45 kS/s的用于地震監(jiān)測和能源開發(fā)的具有PGA的超高分辨率的∑-ΔADC；ADS1255則是一款24 bit、30 kS/s極低噪聲的∑-ΔADC,可以應(yīng)用于對噪聲要求極高的信號系統(tǒng)中。另一大芯片公司美信公司在高速率、高精度的A/D器件上也很成熟，比如MAX11905是一款20 bit、 1.6 MS/s、低功耗、全差分SAR ADC,帶有內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器，具有很好的動態(tài)和靜態(tài)性能，功率正比于吞吐率，在同類的產(chǎn)品中具有最佳指標(biāo)。MAX11905采用20引腳、4 mm×4 mm、TQFN封裝，可以工作在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)。此外，國外的Atmel、Linear、Rohm等芯片公司設(shè)計新的A/D器件都是走在技術(shù)的尖端[3]。

1.2學(xué)術(shù)界的A/D器件

超高速、中高精度的A/D器件也引起了眾多科研機(jī)構(gòu)的興趣，世界上諸多知名院校投入大量的科研人員和經(jīng)費(fèi)進(jìn)行A/D的研發(fā)設(shè)計，以研究出更高性能的ADC。

在2004年，美國的加州大學(xué)設(shè)計研發(fā)了一款轉(zhuǎn)換精度8 bit、轉(zhuǎn)換速率600 MS/s的折疊插值式A/D器件，該器件采用了0.18 μm CMOS工藝。在2008年，它們采用單通道并行的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一款速率為2.5 GS/s、精度為8 bit的超高速A/D器件，該器件是在90 nm的CMOS工藝上實現(xiàn)的。同年，又設(shè)計實現(xiàn)一款1 GS/s、10 bit的流水線級聯(lián)折疊結(jié)構(gòu)的A/D器件，該器件采用了0.35 μm SiGeBiCMOS工藝。2011年，意大利大學(xué)帕維亞大學(xué)的Aldo Pena Perez在ISSCC(International Solid-State Circuits Conference)發(fā)表使用三階調(diào)制器的Sigma-Delta型低速超高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在輸入信號的帶寬達(dá)到100 kHz時，實現(xiàn)了SNDR(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio)為84 dB，SFDR為96 dB、功耗僅為140 μW的性能,其采用的是0.18 μm CMOS工藝。同年，博通公司的Chen Chunying發(fā)表了VLSI Circuits上的一款高速度、高精度的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該ADC實現(xiàn)了12 bit、3 GS/s的性能指標(biāo)，并且在輸入信號頻率達(dá)到1.2 GHz的時候SNDR仍高于50 dB,其采用了40 nm的CMOS數(shù)字工藝，整體功耗也僅僅只有500 mW[4]。2014年TI宣布推出最新的SAR型ADC,此次推出的ADS7042是業(yè)界功耗最低、尺寸最小的12 bit的SAR ADC，這款微型器件的全速功耗只有690 μW；而ADS8354系列則包含了業(yè)界最小的14 bit及16 bit的同步采樣SAR ADC。

2　A/D器件的國內(nèi)發(fā)展情況

對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究國內(nèi)起步比較晚，主要是一些科研院校在研究，發(fā)展比較落后，基礎(chǔ)非常薄弱，工藝也很落后，能夠投入到市場上的ADC產(chǎn)品也很少，而國外在高性能的ADC器件方面對中國進(jìn)行進(jìn)口限制，這極大影響了中國國防工業(yè)和電子通信的發(fā)展，這就要求我國必須設(shè)計自己的ADC。目前國內(nèi)軍用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要由各大軍工集團(tuán)下的研究所設(shè)計。此外，各大高校也積極設(shè)計研發(fā)高性能A/D器件，包括中科院半導(dǎo)體所、復(fù)旦大學(xué)等院校，其中復(fù)旦大學(xué)的實力最強(qiáng)。

從技術(shù)上來看，美國國家半導(dǎo)體擁有最先進(jìn)的CMOS工藝技術(shù)，因此在技術(shù)上可以實現(xiàn)高速及其他類型的ADC。低功耗仍然是我們的優(yōu)勢所在，而且我們的售價也比其他對手更具有競爭力。

目前國內(nèi)的主要研究成果有[5-6]：2006年，東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所設(shè)計實現(xiàn)了一款速度為1 GS/s、精度為6 bit的超高速ADC，其采用了0.18 μm的CMOS工藝。2009年，又在0.18μm CMOS工藝上設(shè)計實現(xiàn)了一款轉(zhuǎn)換速率為2.2 GS/s、精度6 bit的超高速ADC,這兩款A(yù)/D器件都是采用了全并行結(jié)構(gòu)。2010年，復(fù)旦大學(xué)設(shè)計實現(xiàn)了一款折疊插值結(jié)構(gòu)的ADC，其是在0.13μm工藝下實現(xiàn)的，轉(zhuǎn)換速率為1 GS/s，精度為8 bit。2010年中電集團(tuán)55所設(shè)計了一款轉(zhuǎn)換速度為1.4 GS/s、8 bit的超高速A/D器件。2011年模擬集成電路實驗室在半導(dǎo)體學(xué)報上公布一款采樣兩通道時間交錯的1.5 GS/s、8 bit的A/D芯片，該芯片是在0.18 μm CMOS工藝上實現(xiàn)的[7]。

3　ADC的發(fā)展瓶頸

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是連接模擬信號和數(shù)字信號的橋梁，是現(xiàn)代數(shù)字社會不可或缺的重要組成部分。隨著ADC采樣速度的不斷增加，越來越復(fù)雜的功能得以實現(xiàn)，例如認(rèn)知雷達(dá)、醫(yī)學(xué)影像和60 GHz無線通信等[8]。由于電磁譜競爭越來越激烈，美國國防部為了提高系統(tǒng)的靈活性和性能，希望ADC盡可能靠近天線。因此設(shè)計實現(xiàn)超高速ADC亟待解決，以滿足軍用軟件無線電、電子戰(zhàn)、雷達(dá)等需要高寬帶和高采樣率的軍事應(yīng)用的需求。

目前的ADC具有應(yīng)用廣泛、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但在高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，它存在著很多先天性的不足。當(dāng)信號的采樣速率大于2 MS/s時，由于孔徑抖動因素，會造成采樣時間的不確定性[9]。其規(guī)律是伴隨著采樣速率的增加，其精度就會下降。每增加一倍，就會下降大約1 bit，在過去的幾年里，在一定的采樣速率下，ADC的精度平均僅提高了1.5 bit。在當(dāng)下技術(shù)狀態(tài)下，設(shè)計實現(xiàn)的采樣速率最高的ADC的采樣速率是8 GS/s，而精度只有3 bit。在精度為8 bit的情況下，采樣速率為4 GS/s[10]。這基本已經(jīng)達(dá)到其理論極限，即使采樣速率可以更高，其精度也會下降。

而且當(dāng)下的ADC能夠處理的信號的頻譜范圍有限，僅能夠?qū)σ恍〔糠诸l譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換，很可能忽略通信、雷達(dá)和其他方面有問題的電磁頻譜信號。對于美國國防部來說，實現(xiàn)可進(jìn)行超高速采樣的ADC是當(dāng)務(wù)之需[11]。美國國防先期研究計劃局(DARPA)已經(jīng)通過“商用時標(biāo)陣列”(ATC)開發(fā)出超高速ADC，采樣速率可以達(dá)到60 GS/s，是現(xiàn)有商用ADC采樣速率的10倍，完全可以勝任探測分析30 GHz及以下頻譜范圍內(nèi)的任何信號，基本可以覆蓋現(xiàn)有電子戰(zhàn)通信和雷達(dá)等武器裝備的工作頻段[12]。該ADC在帶來驚人的采樣速率的同時，也給數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。ADC中每秒采樣所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將達(dá)到1 Tbit，這將會導(dǎo)致巨大的功耗。此外ADC的信號處理能力也要達(dá)到同等量級，而且需要對數(shù)據(jù)量有效降級，從而能夠與相鄰的電子器件的信號處理能力相匹配，這就進(jìn)一步對制造工藝和設(shè)計提出了更高的要求。該ADC采用32 nm絕緣體Si工藝，在達(dá)到了功耗的要求下，達(dá)到了所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力[13]。

但是隨著采樣速率的不斷提高，會出現(xiàn)很多無法按照預(yù)定次數(shù)采樣的問題，如孔徑抖動以及傳統(tǒng)ADC采樣保持電路的固有限制，已經(jīng)成為更高精度、更高速度的ADC的發(fā)展瓶頸。當(dāng)下主要是通過插入模擬下變頻，適當(dāng)降低被采樣信號的頻率以及采用帶通技術(shù)來適當(dāng)提高ADC的轉(zhuǎn)換速度，但是仍需要不斷探究更好的解決方法[14]。

此外人們常常忽略一個ADC限制：信噪比的限制。ADC中的噪聲主要由三部分構(gòu)成：量化噪聲；帶內(nèi)噪聲或干擾；原來在帶外經(jīng)轉(zhuǎn)換后搬移到帶內(nèi)的噪聲或干擾，及混疊噪聲。這些噪聲在高信噪比時，可能對器件性能的影響并不大，但是在信噪比較低的時候就會嚴(yán)重影響器件的性能，這就會嚴(yán)重影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。為了減少噪聲，通常會把信號盡量放大，但是不能超過ADC的模擬輸入信號的幅度，因為在接近ADC的滿刻度時，ADC的非線性失真最大，解決這一問題的措施是：增加ADC的動態(tài)范圍；提高ADC的轉(zhuǎn)換精度；采用新的A/D變換技術(shù)，如∑-Δ技術(shù)[15]。

這些瓶頸都是制約A/D器件性能提高的因素，這將是研究設(shè)計ADC的科研人員以后要著力解決的問題，只有解決好這個問題，才能設(shè)計實現(xiàn)更高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

4　結(jié)束語

本文對A/D器件的國內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行了分析總結(jié)，并得出了A/D器件的發(fā)展瓶頸，即采樣速率的不斷提高帶來的孔徑抖動問題以及ADC采樣電路固有的限制。可以說A/D器件是整個通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在，也是整個系統(tǒng)的瓶頸，必須投入大量的物力、人力、財力致力于A/D器件的研究。

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The development of ADC

Lin Pengfei,Chen Shaochang

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

ADC is the key to the whole communication system, also is the bottleneck of the whole system. Scientific research institutions at home and abroad have invested a lot of manpower, material resources, financial resources to the research of ADC. Based on the analysis of ADC development both at home and abroad, we conclude the development bottleneck: apertures jitter problem brought by improving sampling rate and the inherent limits in ADC sampling circuit. We must solve the bottleneck problem, so we can design higher performance of the ADC.

ADC; development;bottleneck;aperture jitter

TN99

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.003

2016-06-16)

林朋飛(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：電路與系統(tǒng)的電磁兼容性。

陳少昌(1962-)，男，碩士，教授，主要研究方向：電路與系統(tǒng)的電磁兼容性。