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数据转换器的发展趋势及设计挑战

2013-12-10 文奇 阅读:
数据转换器是模拟和数字世界之间的桥梁,同时也是电子技术发展的关键和瓶颈所在。随着技术的发展,数据转换器的性能得到了大幅提升,不过现在的电子产品大都追求更高的性能和更低的功耗,这个ADC设计带来了很多挑战。

数据转换器是模拟和数字世界之间的桥梁,同时也是电子技术发展的关键和瓶颈所在。随着技术的发展,数据转换器的性能得到了大幅提升,不过现在的电子产品大都追求更高的性能和更低的功耗,这个ADC设计带来了很多挑战。

数据转换器的主要类型

数据转换器包括模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC),一般分为高精度转换器和高速转换器。高精度数据转换器一般指5Msps(采样每秒)以下的ADC或1Msps以下的DAC,主要应用于工业、通信领域的各种终端市场,另外也有小部分应用在消费和汽车领域;高速数据转换器则主要用于通信,以及军事航空和测试设备市场。

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Maxim Integrated工业与医疗方案事业部市场总监Sean Long表示,目前最受欢迎的ADC类型为逐次逼近寄存器(SAR)、Σ-Δ和流水线型。

SAR ADC根据N位DAC的输出,利用比较器对输入电压进行加权,以DAC输出为基准,每次加权产生一位转换结果,通过N次加权逼近最终结果。目标应用包括工业控制、测试与测量,以及通信设备,这些应用中都要求低功耗、高精度、合理的高采样率以及高性价比方案。

Σ-Δ ADC结构相对简单,包括两个主要部分:模拟调制器和数字抽样滤波器。以极低(1位)分辨率、高达2MHz或更高的采样率对Σ-Δ ADC输入的窄带信号进行数字转换。结合后续的数字滤波,过采样架构使得采样率降至几KHz,将ADC分辨率(即动态范围)提高至16-24位。尽管转换速率低于SAR ADC,限制了输入带宽,但Σ-Δ架构凭借其超低功耗、高性能转换的优势,可理想用于许多传感器接口应用,已经在数据转换器市场占有重要一席。

流水线ADC也称为分级数字转换器,由多级串联组成,每级包含采样/保持(T/H)、低分辨率ADC和DAC,以及级间放大器的电流求和,以提供增益。流水线ADC适合高速数据采集(大于50MHz),但是采样精度要求不太高的情况(8~12位)。例如示波器和无线通信等系统,其中总谐波失真(THD)、无杂散动态范围(SFDR)及其它频域指标非常关键。

高精度DAC通常采用电阻串结构或R-2R梯形结构。使用电阻串结构时,DAC的输入控制一组开关,通过匹配的串联电阻对基准电压进行分压。DAC R-2R梯形则将每个电阻连接至电压基准正端与负端(通常为地)之间,对基准电压分压,从而产生电流。电压输出DAC通过输出放大器将该电流转换成输出电压。电流输出DAC将R-2R梯形电流直接送到输出,或利用放大器对输出进行缓冲。

数据转换器的发展趋势及设计挑战(电子工程专辑)
表1: 各种主流转换器结构的分辨率、速度和建议架构。

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数据转换器发展趋势

其实,数据转换器自诞生后,就从未停止对更快转换速率、更高的转换精度、更强大特性的追求,而这种趋势将始终伴随数据转换器技术的发展。同时,数据转换器还有更多的目标,比如更低的功耗、更小的尺寸、更高的通道密度,以及面对激烈市场竞争条件下更低的成本。ADI公司华中区销售经理张靖认为,未来市场将需要更多“智能”注入的数据转换器,这是一大发展趋势。他说,“通过控制额外的系统功能,这类智能转换器不仅仅使设计人员采用更小、更简单、更高性价比的数据处理器成为可能,而且进一步简化了编程,并使系统的整体性能得到提高。在今后的一到两年内,这两大主题将会诠释这一趋势,即与转换器核心技术发展齐头并进的先进传感器的快速扩张,以及在数据转换器内嵌入持续可调节功率功能的发展方向。数据转换器的技术发展特点就是在针对不同的产品策略和不同的市场市场需求,提供相对应最合适的数据转换器产品。”

数据转换器的发展趋势及设计挑战(电子工程专辑)
Maxim Integrated工业与医疗方案事业部市场总监Sean Long

数据转换器发展到今天已经比较成熟,各个厂家都在朝着更高精度,更快速度,更小体积、更可靠、更节能和更低价格的方向发展。Maxim公司的Sean Long就表达了类似的观点,他表示,数据转换器技术的最新发展主要集中在三个方面,第一个是改进性能,数据转换器厂商通过不断提高分辨率(位数)和采样率(Ksps或Msps)来改善系统性能;第二个是降低功耗,延长电池供电时间,并提供更小尺寸的封装;第三个是提高集成度,从高性能集成模块,到高度整合的混合信号集成方案。模拟整合提供了众多优势,包括改善系统性能、减少尺寸,以及降低总体系统成本。

主要针对嵌入式应用的Microchip公司的模拟和接口产品市场策略经理李喻奎也非常赞同这个观点。另外,他也谈到了由于现在芯片大都会考虑高集成(例如SoC/多核),客户希望将越来越多的功能单元集成到芯片中,ADC最为一个重要的功能单元,是芯片供应商和客户首要考虑的一个部分。

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芯片厂商面临的技术挑战及应对策略

数据转换器的发展趋势及设计挑战(电子工程专辑)
ADI公司华中区销售经理张靖

高精度、高速度、小体积、高集成、低功耗和低价格,说起来容易,做起来难。张靖举例说,要做到更高精度则需要在目前结构上引入更多内部器件,并提高功耗。在更小体积、更低价格方面,大家很容易想到的方法是减小IC的线宽,但是这样又会增加数据转换器的抗干扰能力,减小稳定性。所以,ADI认为数据转换器的发展应该是结构与工艺的共同发展。甚至今后会出现电子真空管向半导体转换的这样革命性的工艺转变。ADI每年在数据转换器的开发商都会投入巨资,不断从设计理念、结构和工艺上下功夫。他同时还表示,“我们主要采取以下策略来满足市场对数据转换器的这些要求:首先,在半导体工艺上,不断创新,近几年不断采用65nm工艺开发高速、低功耗的转换器。同时,ADI下一代35nm工艺也日臻成熟。这将进一步降低器件功耗和提高转换速度。其次,ADI采用高集成度设计方案,将数据转换器周边电路设计到同一硅片上。这会进一步提高系统集成度、稳定性、一致性以及降低整体电路的功耗。比如ADI近期全球发布的AD9361高集成度数据转换器集成了高速转换器、混频器、射频前端等产品,适合高速、低功耗的Femtocell、MDAS、RRU、4G LTE等应用。”

数据转换器的发展趋势及设计挑战(电子工程专辑)
凌力尔特公司混合信号产品部产品经理Alison Steer

凌力尔特公司混合信号产品部产品经理Alison Steer表示,高速、流水型ADC要实现更高性能,就必须消耗大量功耗。凌力尔特的16位130Msps LTC2208等器件具有卓越的100dB SFDR以及好于77dB的SNR,在无线通信应用领域一直极受欢迎。她说,“为了达到这样的SFDR和SNR性能,功耗必须高于1W。就需要最低功耗的应用而言,我们做了一点折中,稍微降低一点AC性能,以能够将功耗降低至1mW/Msps范围。就更高性能的16位应用而言,16位、125Msps、低功耗双ADC LTC2185的每通道消耗185mW功率,同时仍然在基带实现了76.8dB SNR和90dB SFDR。”另外,针对小体积和关于模数集成方面,她表达了自己的观点,她认为,由于高压模拟设计在通道之间需要更大的间距,这意味着较小的几何尺寸没有任何好处。就需要模拟与数字混合的产品而言,更好的方法是采用双芯片解决方案,这样模拟设计师可以集中精力提高模拟部分的性能,数字设计师在使用几何尺寸更小的工艺方面则有更多自由度。此外,模拟或数字部分有任何差错,都不需要重新修改整个器件。

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数据转换器的发展趋势及设计挑战(电子工程专辑)
Intersil公司的模拟设计工程师Ed Kohler

面对数据转换器的这一发展趋势带来的设计挑战,Intersil公司的模拟设计工程师Ed Kohler表示,Intersil主要投入大量时间来研发Femtocharge技术和集成交错工作模式(Integrated Interleaving)架构,来使Intersil的数据转换器提高采样速率,同时降低功耗,例如,ISLA214P50提供了14位模数转换器可以达到的最高采样速率,同时他的功耗比采样速率紧随其后的14位转换器少了50%。这些优势直接源自于我们的Femtocharge技术和我们的Integrated Interleaving架构。

数据转换器的发展趋势及设计挑战(电子工程专辑)
Microchip公司的模拟和接口产品市场策略经理李喻奎

“Microchip公司的数据转换器产品主要针对嵌入式应用,包括工业、电源、医疗和便携产品等。提供高精度(最高22位)、低功耗和多输入通道的独立A/D转换器,或者将A/D转换器集成到MCU中,变成MCU的功能单元;提供采用速度高达10Mbps的多输入通道A/D转换器并集成到MCU中。由于使用A/D转换器进行信号采集时可能需要信号调理电路,一方面Microchip公司提供分立的低功耗运放、比较器和电压基准等器件;另一方面也在MCU中集成了低功耗运放、比较器和电压基准模块,进一步减少外部电路,提高集成度。”谈到如何应对数据转换器的发展趋势时,Microchip模拟和接口产品市场策略经理李喻奎这样回应。

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数据转换器的选型建议

不同的应用对于数据转换器的需求会有所不同,系统设计、电路配置的多样性,使得数据转换器的选型变得更加复杂。若要使特定应用的要求与特定数据转换器的特性之间寻找到更好的匹配,分辨率、速度和功耗则不再是唯一的判断指标。Maxim公司的Sean Long就认为,由于最终应用的不同,数据转换器参数的重要性顺序也会有所不同。他为工程师列举了以下几个在选择数据转换器时应该注意的判断点。

* 分辨率/位数/精度:设计工程师在选择DAC时,需要了解的参数有线性度、分辨率、速度和精度等。首先从信号转换的位数开始,然后是诸如INL和DNL等参数。

* 采样率:该指标针对于ADC,是采样信号最高频率的函数。

* 通道数:工程师需要转换多少路信号?转换器可提供单、双、四、八通道以及更高通道密度——提供多通道和同时采样方案。

* 尺寸:随着设备尺寸越来越小,较小的封装尺寸成为选择数据转换器的关键。超小尺寸封装,例如TDFN或晶圆级封装(WLP),能够帮助工程师满足最严格的空间限制。

* 集成特性:原则上最高性能的元件为分立式电路模块。例如,电压基准的指标可达到超低温漂(比如1ppm/℃)。然而,在许多应用中并不需要如此严格的性能。转换器可集成诸如电压基准、基准缓冲器驱动器,同时具有非常好的性能,比如6ppm/℃,提供最优的解决方案。

* 串行或并行接口:现代化设计越来越多地使用高性能串行接口,比如SPI接口,这样就节省了转换器和微控制器的引脚数量,同时仍然具备高数据吞吐率。

* 成本:每个工程师都面临着系统性能和总体成本之间的两难选择。包括通过集成节省成本或通过降低工作损耗节省系统级成本。有大量转换器可供选择,工程师可选择满足不同需求的适当产品。

Intersil公司的Ed Kohler觉得工程师在选择数据转换器的时候,还需要考虑信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)和功耗规范,确保它们满足应用的要求。他举例说,“在选择高采样速率12位模数转换器时,其信噪比范围应为60dB~73dB,无杂散动态范围为60~90 dBc,功耗为几百毫瓦至几瓦。在考察了性能指标后,工程师还需要考虑易用性特征,如输出接口、是否集成了微调(如偏移和满量程调整)以及是否有参考设计和评估平台来帮助设计者快速和经济地构建系统原型。”

ADI的张靖也指出,“我们要根据具体的应用选择适当的直流参数和交流参数。例如,我们要注意同一分辨率以及速度下的转换器INL/DNL,SNR,SFDR,输入阻抗以及形式,时钟抖动,参考要求等。不同应用对具体参数的要求是不同的。例如,在音频转换时,我们非常关注THD(谐波失真)这个指标。但是在高速射频采样时,我们要考虑时钟抖动,信号带宽,输入驱动等因素。”

“在实际应用中,工程师应该首先要了解其设计的系统要求,比如作为信号源头的传感器类型,或者输入信号的电压、电流和频率等特性;” Microchip公司的李喻奎这样给工程师建议,“其次需要考虑系统输出的部分,例如测量精度、采样点数和数据处理等方面。只有了解了这两个环节,才能很容易地选择合适的ADC产品。”

此外,为了帮助工程师能够方便、快捷地设计出满足应用需求的产品,各数据转换器厂商也都有自己的一些举措,比如提供具有竞争优势的产品和方案、经过验证的系统参考设计、应用笔记和本地化的技术支持等。

本文来自《电子工程专辑》2013年12月《模拟和电源》特刊,拒绝转载。

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