李 健 王 瑩

摘要：數(shù)字化需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)模擬技術(shù)——特別是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的需求變得更為重要。數(shù)字技術(shù)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)的要求越來越高，本文介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器;ADC;DAC;SAR;Σ～Δ

隨著電子技術(shù)水平的不斷發(fā)展，作為從聯(lián)系真實(shí)自然界采集或傳遞感官信息與數(shù)字處理、存儲(chǔ)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?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，尤其是ADC的廣泛應(yīng)用，大大推動(dòng)了數(shù)字世界的長(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步。半導(dǎo)體供應(yīng)商也一直在不斷加大對(duì)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(jìn)步。而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能決定了信號(hào)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(chǎng)年增9%

隨著人們對(duì)信號(hào)捕捉能力的要求逐步提升，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用變得越來越廣泛，Gartner預(yù)測(cè)，獨(dú)立的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品收入將達(dá)到8.9%的年均增長(zhǎng)率，營(yíng)收從2009年25.67億美元增長(zhǎng)至2014年39.37億美元。增長(zhǎng)點(diǎn)主要包

括高端醫(yī)療/工業(yè)和測(cè)量應(yīng)用(高平均售價(jià))和低端消費(fèi)類音頻產(chǎn)品(量大)，在醫(yī)療/工業(yè)應(yīng)用的年均增長(zhǎng)率為10.2%，消費(fèi)類電子應(yīng)用則為9.2%。市場(chǎng)調(diào)查公司Databeans預(yù)測(cè)，2010年數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的營(yíng)收將有望比2009年增長(zhǎng)20%以上。從長(zhǎng)期發(fā)展來看，Databeans預(yù)計(jì)到2015年，轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)保持9%的年均增長(zhǎng)率。

市場(chǎng)表現(xiàn)方面，ADI是世界上最大的獨(dú)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，Linear 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(jìng)爭(zhēng)。

高性能多通道轉(zhuǎn)換器是未來轉(zhuǎn)換器技術(shù)的大趨勢(shì)，同時(shí)要滿足不同差異化的應(yīng)用需求。“ADI的市場(chǎng)策略是基于現(xiàn)今社會(huì)對(duì)信號(hào)處理的實(shí)際要求，用先進(jìn)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(yuǎn)超競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手并占據(jù)46%的市場(chǎng)份額的原因”，ADI公司轉(zhuǎn)換器部門副總裁Dick Meaney指出。

Gartner 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(chǎng)對(duì)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(duì)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(dá)到優(yōu)良值就能夠幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師減小系統(tǒng)體積，降低復(fù)雜程度和信號(hào)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(fèi)電子領(lǐng)域主要是音頻編/解碼器，競(jìng)爭(zhēng)集中在將 A / D轉(zhuǎn)換器和立體聲的D / A轉(zhuǎn)換器集成在單芯片以及芯片成本上。盡管價(jià)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(gè)耳機(jī)放大器，電源管理器件和一個(gè)基于DSP的音頻增強(qiáng)處理器、3D音效擴(kuò)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(shì)仍在被激烈地爭(zhēng)論。許多手機(jī)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(huì)說這是一種嚴(yán)重的音質(zhì)妥協(xié)，因?yàn)榫幗獯a器容易受到開關(guān)噪聲的干擾;但從市場(chǎng)反應(yīng)來看，越來越多的專門數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將逐漸轉(zhuǎn)化為一個(gè)更加綜合應(yīng)用的特定部分。

高分辨率ADC概覽

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一個(gè)重要的應(yīng)用是信號(hào)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(zhǎng)，正考驗(yàn)著中國(guó)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(guó)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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施(WIFR)系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(hào)發(fā)生器?，F(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(jì)人員提供了靈活度，使他們?cè)诟纳菩盘?hào)質(zhì)量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、更低的成本以及更低的功耗。這也意味著，設(shè)計(jì)人員越來越多地要求DAC不僅能支持傳統(tǒng)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，例如GSM、WCDMA、TD–SCDMA、CDMA2000、WiMAX和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(hào)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(duì)于支持4至6載波GSM傳輸規(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(dá)到特定的行業(yè)規(guī)格，并具備很長(zhǎng)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(jì)人員帶來諸多好處。

設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工業(yè)和數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，很可能會(huì)遇到以下這些模數(shù)轉(zhuǎn)換問題：

● 對(duì)極寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，例如環(huán)境聲壓計(jì)要能在60至80dB范圍內(nèi)檢測(cè)信號(hào);

● 適應(yīng)不同來源且信號(hào)范圍截然不同的信號(hào);

● 解析某一確定值的上下微小變化，旨在擴(kuò)展以該點(diǎn)為中心的范圍。

如果使用相對(duì)低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高電平信號(hào)的分辨率可能接近10位。然而，對(duì)于低電平信號(hào)，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(duì)于精度只有1%的傳感器來說，等效精度為0.1%的10位分辨率足夠了。然而，對(duì)于更低電平信號(hào)，有效分辨率可能小于1%。

設(shè)計(jì)問題的解決之道

這些設(shè)計(jì)問題有很多解決方法，以下主要列出三種： 在相對(duì)較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器(PGA); 將輸入信號(hào)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(píng)估這些方法。

PGA法

歷史上，PGA方法曾經(jīng)非常流行，因?yàn)榕c較低成本ADC配對(duì)使用時(shí)，它比高分辨率ADC更具成本優(yōu)勢(shì)。此方法特別適用于輸入信號(hào)接近0V但具有較寬動(dòng)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(hào)范圍的各種傳感器信號(hào)，例如聲壓計(jì)。如果對(duì)較寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)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(shí)，數(shù)字輸出可能在那個(gè)點(diǎn)發(fā)生上下跳變。因此，在每一級(jí)都必須小心匹配增益來降低這種影響。從不同信號(hào)源中復(fù)用信號(hào)時(shí)，這個(gè)問題并不重要。然而，這與系統(tǒng)是否針對(duì)每個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)固定增益有關(guān)，如圖2所示，或者對(duì)于較寬范圍信號(hào)輸入進(jìn)行動(dòng)態(tài)增益切換。

增益范圍調(diào)整方法會(huì)產(chǎn)生以下問題：雖然可驅(qū)動(dòng)一個(gè)12位ADC，但如果在其前放置一個(gè)增益為27 = 128的放大器，則放大器的有效輸入噪聲和失調(diào)電壓精度必須為18位。對(duì)于采用固定增益運(yùn)算放大器，這會(huì)有問題，而采用PGA切換時(shí)，問題可能還會(huì)更嚴(yán)重。這樣，將精度要求從ADC轉(zhuǎn)移到PGA，卻沒有帶來任何好處。

● 在進(jìn)行增益切換時(shí)，必須先對(duì)信號(hào)有所了解?？墒褂肁DC的超量程輸出，并配合軟件，或者通過比較器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)過程很麻煩，而且切換時(shí)間也會(huì)是個(gè)問題(也許您還記得古老的增益范圍調(diào)整DVM，在改變范圍時(shí)它的速度有多慢!)。

● 可以對(duì)增益為128的精密低噪聲運(yùn)算放大器進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析：計(jì)算有效輸出噪聲和失調(diào)電壓，并與低分辨率ADC的最低有效位(LSB)進(jìn)行比較。然而，在高增益模式下，運(yùn)算放大器的線性度會(huì)是個(gè)問題。

多緩沖放大器方法

如果傳感器或者信號(hào)源與內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集單元有一定距離，可以使用多緩沖放大器方法(見圖2)。

單個(gè)高分辨率ADC

單個(gè)高分辨率ADC的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單(見圖3)。如果使用16位ADC，對(duì)于較小動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，丟失3、4或5位會(huì)使該信號(hào)的有效分辨率降至11至14位。然而，對(duì)于大多數(shù)傳感器來說此精度足夠了，因?yàn)锳DC的精度相當(dāng)于0.05%或更佳。

由于這些器件的價(jià)格最近已降到5美元或更低，因此成本將不再是需要考慮的因素。如果需要更高的有效分辨率，或者需要適應(yīng)更寬的動(dòng)態(tài)范圍，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性價(jià)比較高也更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

需解析0點(diǎn)附近某個(gè)信號(hào)值的微小變化時(shí)，顯然應(yīng)選擇使用高分辨率ADC。這也是利用DAC補(bǔ)償大多數(shù)信號(hào)的替代方案。在有些情況下，這仍然是一種可行的選擇。目前適合增益范圍調(diào)整方法的PGA有諸如ADI 的AD8250[2]。

分立vs集成在芯片內(nèi)部

同時(shí)，我們也應(yīng)該看到，很多ADC，甚至是DAC的功能模塊已經(jīng)被集成在微控制器/處理器/SoC內(nèi)部，而且其標(biāo)稱的分辨率已有高達(dá)16位。即便如此，分立的ADC和DAC同樣具有不可替代的地位。TI模擬器件事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展工程師王勝分析主要原因如下。

(1)分立的ADC通常具有較高的精度，如16位及以上的應(yīng)用場(chǎng)合。

(2)對(duì)于高速應(yīng)用，如通信基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療及測(cè)試計(jì)量設(shè)備等，很難找到處理器集成的ADC能夠勝任。

(3)即使是同樣標(biāo)稱性能，分立ADC獲得較好設(shè)計(jì)性能概率大很多。

(4)作為模擬器件的ADC，相對(duì)容易現(xiàn)實(shí)模擬鏈路的功能集成，如，用于信號(hào)調(diào)理的PGA，輸入緩存(bu er)，電壓基準(zhǔn)，以及其他輔助功能的模擬附件，如溫度傳感器，某些針對(duì)特定應(yīng)用的硬件電路等。但對(duì)于以數(shù)字為核心的處理器器件，就可能存在與模擬電路的匹配設(shè)計(jì)問題。

(5)集成在微控制器/處理器/SoC內(nèi)部的ADC方案，客戶的靈活選擇空間將大大降低。

(6)集成有高性能的模擬外設(shè)(包括高性能ADC)的微控制器/處理器，其成本可能相對(duì)較高。

(7)PCB的布局和設(shè)計(jì)方便，如果ADC被集成在處理器內(nèi)部，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的模擬-數(shù)字分離設(shè)計(jì)。

部分ADC/DAC廠商及產(chǎn)品特點(diǎn)

ADI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線應(yīng)用廣泛，聶海霞介紹道，在智能儀表和智能電網(wǎng)方面，去年底該公司推出了四款能量計(jì)量集成電路(IC)，這種方案能夠提升應(yīng)用于工商業(yè)和民用智能電表的精度和準(zhǔn)確度。新產(chǎn)品是高精度的能量計(jì)量IC，可應(yīng)用于包括三線和四線服務(wù)器的聚相裝置。這種IC的特點(diǎn)是能夠在超過1000 :1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)及無(wú)功電能測(cè)量，精確度達(dá)0.1%，可謂業(yè)界首創(chuàng)。

在醫(yī)療電子領(lǐng)域，ADI推出了業(yè)界最為精準(zhǔn)的單片數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)AD5791，提供該公司前所未有的精確度，使得放射科醫(yī)生可以在疾病初期得到超清晰的磁共振成像圖來幫助探測(cè)疾病。ADI近期推出的其他醫(yī)療新品包括ADAS1128 24位電流數(shù)字轉(zhuǎn)換器、ADuM4160單芯片通用串行總線隔離器及AD927x系列八通道超聲診斷系統(tǒng)接收機(jī)。2010年7月，ADI向中國(guó)市場(chǎng)推出了AD5755數(shù)模轉(zhuǎn)換器，配有動(dòng)態(tài)電源管理，多通道，16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)能力;節(jié)約能源，并在工業(yè)應(yīng)用中的I/O系統(tǒng)控制過程中十分可靠。ADI的高度整合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AD5755是一套完整的多通道控制集成電路，整合了4個(gè)帶有可調(diào)控電壓或4~20mA輸出驅(qū)動(dòng)的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及動(dòng)態(tài)電源管理。

TI模擬器件事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展工程師王勝介紹，TI在ADC和DAC等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中可以為客戶提供非常廣泛的產(chǎn)品系列，包括信號(hào)鏈產(chǎn)品和音視頻應(yīng)用中的DAC及ADC產(chǎn)品。通常Σ-Δ型ADC被應(yīng)用于高精度低速率的場(chǎng)合，不過TI利用自身掌握的核心技術(shù)，可使Σ-Δ型ADC到達(dá)24bit的分辨率、4Msps的數(shù)據(jù)速率，這一性能對(duì)于Σ-Δ型ADC來說不多見，至少?gòu)哪撤N層面可以說明TI的Σ-Δ型ADC技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

另外，為了滿足某些具有共性需求的特定應(yīng)用，TI給客戶提供了“定制化”的選擇：⒈針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化及儀表應(yīng)用中的對(duì)微弱小信號(hào)的采集需求，尤其是廣泛應(yīng)用的溫度測(cè)量應(yīng)用，并考慮到類似設(shè)計(jì)中客戶面臨的高性能、低功耗、高集成度/有限的PCB面積、低成本以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的需求，TI推出了Σ-Δ型ADC，ADS1248/7/6和ADS1148/7/6系列產(chǎn)品，覆蓋24bit/16bit以及不同的集成度版本。⒉在工業(yè)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、電力自動(dòng)化以及工業(yè)型號(hào)采集場(chǎng)合，逐次逼近(SAR)型ADC，由于其自身架構(gòu)決定的無(wú)延時(shí)特性，以及可以實(shí)現(xiàn)更多的采樣速度和分辨率的折中選擇，得到了更廣闊的應(yīng)用。TI可以提供分辨率從8bit到18bit，速度從每秒數(shù)千次采樣率到每秒數(shù)百萬(wàn)次采樣率的更加寬泛的SAR ADC產(chǎn)品系列。⒊TI在高速ADC(主要以Pipeline型ADC)產(chǎn)品中也加強(qiáng)投入和創(chuàng)新，尤其在通信和視頻應(yīng)用領(lǐng)域。

凌力爾特產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Alison Steer介紹，在高性能、高速 ADC 領(lǐng)域，凌力爾特產(chǎn)品具有極低的功耗。通過整合設(shè)計(jì)專長(zhǎng)和創(chuàng)新性封裝技術(shù)，凌力爾特利用這個(gè)系列的產(chǎn)品開發(fā)出了高性能信號(hào)鏈路微型模塊 (uModule) 接收器子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)可以不受任何限制地交付到中國(guó)市場(chǎng)。這些器件已經(jīng)從最近中國(guó)電信市場(chǎng)的增長(zhǎng)以及中國(guó)一些主流公司的測(cè)試和儀表產(chǎn)品的增長(zhǎng)中獲益。在工業(yè)應(yīng)用的高精確度 ADC 和 DAC 領(lǐng)域，凌力爾特也是擁有顯著優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)導(dǎo)者，最近率先推出了真正的 18 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了有保證的±1LSB (低于 4ppm!) INL 和 DNL 性能。凌力爾特公司十分專注于設(shè)計(jì)高線性度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)充分考慮靈活性、尺寸和功耗。公司開發(fā)了多個(gè)引腳和軟件兼容的產(chǎn)品系列，因此用戶可以選擇數(shù)字接口、內(nèi)部基準(zhǔn)、通道數(shù)和具中標(biāo)度或零標(biāo)度復(fù)位的 DAC 輸出或高阻抗 (LTC2635)。高精確度、電流輸出 DAC 系列還為設(shè)計(jì)師提供了在從 12 位開始直到 18 位精確度的分辨率中所需的、有保證的性能。

Maxim ADC產(chǎn)品線的業(yè)務(wù)經(jīng)理Alex Dean介紹，Maxim ADC主要面向工業(yè)、通信、醫(yī)療和消費(fèi)市場(chǎng)，大多數(shù)18位以及更高分辨率的ADC采用Σ-Δ設(shè)計(jì)架構(gòu)，Maxim推出的低速24位、單通道ADC具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的單位功耗有效位(ENOB)指標(biāo)，可理想用于手持式儀表和傳感器市場(chǎng)，近期將推出多通道、速度更高的ADC，以擴(kuò)充24位ADC產(chǎn)品線。MAX11200系列Σ-Δ超低功耗(工作電流<300μA) ADC具有業(yè)內(nèi)較高的單位功耗分辨率，較寬的動(dòng)態(tài)范圍非常適合4~20mA工業(yè)控制環(huán)路。在規(guī)定的轉(zhuǎn)換速率下，內(nèi)部數(shù)字濾波器提供高于100dB的50Hz或60Hz交流電噪聲抑制，是工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。MAX11102系列低功耗ADC最大功耗僅為9.9mW，可有效延長(zhǎng)便攜式電子產(chǎn)品的電池使用壽命，它能夠工作在低至2.2V電壓的器件。該系列ADC可理想用于便攜式/電池供電的電子產(chǎn)品、汽車電子設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)以及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。