数据转换器模拟与数字世界的桥梁

1、数据转换器模拟与数字世界的桥梁 随着电子技术水平的不断发展， 作为从联系真实自然界采集 或传递感官信息与数字处理、 存储和传输所必备的桥梁纽带， 数 据转换器（Data Converter ADC/DAC起着至关重要的作用，也 正是因为数据转换器，尤其是ADC的广泛应用，大大推动了数字 世界的长足发展和进步。 半导体供应商也一直在不断加大对此的 投入和技术创新。另外，与数据转换器性能、集成度甚至成本息 息相关的芯片工艺技术水平也在不段进步。 而数据转换器的性能 决定了信号转换效果的优劣， 且在很大程度上决定了当今数字设 备的性能。 市场年增 9% 随着人们对信号捕捉能力的要求逐步提升， 数据转

2、换器的应 用变得越来越广泛， Gartner 预测，独立的数据转换器产品收入 将达到 8.9%的年均增长率，营收从 2009年 25.67 亿美元增长至 2014年 39.37 亿美元。增长点主要包 括高端医疗 /工业和测量应用 （高平均售价 ）和低端消费类音 频产品（量大） ，在医疗 /工业应用的年均增长率为 10.2%，消费 类电子应用则为 9.2%。市场调查公司 Databeans 预测， 2010 年 数据转换器的营收将有望比 2009 年增长 20%以上。从长期发展 来看， Databeans 预计到 2015 年，转换器市场会继续保持 9%的 年均增长率。 市场表现方面， ADI

3、是世界上最大的独立的数据转换器 IC 供应商，德州仪器（TI）紧随其后，Maxim位列第三，Lin ear Technology 公司（凌力尔特 ）位居第四。欧胜微电子则是音频编 解码器的最大供应商，不过面临来自 Cirrus Logic 公司的激烈 竞争。 高性能多通道转换器是未来转换器技术的大趋势， 同时要满 足不同差异化的应用需求。“ ADI 的市场策略是基于现今社会对 信号处理的实际要求， 用先进的转换器技术及产品来为主要客户 提升系统性能。这就是 ADI 能够远超竞争对手并占据 46%的市场 份额的原因”， ADI 公司转换器部门副总裁 Dick Meaney 指出。 Gartner

4、 模拟半导体研究总监 Stephan Ohr 认为，数据转换 器市场对性能的要求越来越严格， 并满足一些特殊性要求。 传统 上，数据转换器应用的需求是转换速率和精度。 速率以采样率为 单位，精度则体现在位分辨率。 原始数据转换器的性能每年都在 不断提高 ; 而对更高精度和采样率以及更高带宽的需求在 2011 年将继续存在。 这些数值若能达到优良值就能够帮助系统设计师 减小系统体积，降低复杂程度和信号链的能耗。当然，与高速和 高分辨率一样， 低功耗和更高集成度一直是数据转换器产品的必 然要求。在消费电子领域主要是音频编 / 解码器，竞争集中在将 A / D 转换器和立体声的 D / A 转换器集

5、成在单芯片以及芯片成本 上。尽管价格压力很大，不过，现在的音频编解码器通常还是包 括一个耳机放大器，电源管理器件和一个基于 DSP的音频增强处 理器、3D音效扩展或噪音消除。基于Flash（快闪）和Pipeline（流 水线）技术的数据转换器同样在诸如高清视频播放器等便携产品 中得到广泛应用。 带有更大ASSP专用标准产品）的集成数据转换器在成本和 性能方面的优势仍在被激烈地争论。 许多手机应用相同的稳压器 芯片将立体声音频编解码器与电源管理集成到一起， 分立编解码 器供应商会说这是一种严重的音质妥协， 因为编解码器容易受到 开关噪声的干扰 ; 但从市场反应来看，越来越多的专门数据转换 器将逐

6、渐转化为一个更加综合应用的特定部分。 高分辨率ADC既览 数据转换器一个重要的应用是信号的采集和传输， 这在通信 应用中表现得极为明显。在通信基础设施方面，电信网络 （包括 3G和4G）承载的数据量日益增长，正考验着中国通信基础设施的 能力。这正是当今DAC和ADC技术面临的主要挑战之一。 ADI公 司中国技术支持中心经理聂海霞指出， 在所有类型的基站和无线 基础设施（WIFR）系统的现代设计中，极高速数模转换器 （DAC）都 是占据主导地位的信号发生器。 现在它们还能执行某些功能， 以 降低基带处理器的负荷。 这为设计人员提供了灵活度， 使他们在 改善信号质量的同时， 能够实现更简单的设计、

7、 更低的成本以及 更低的功耗。这也意味着，设计人员越来越多地要求 DAC不仅能 支持传统的无线通信标准，例如 GSM、 WCDM、ATD?CSCDM、A CDMA2000WiMAX LTE等，还要能满足多标准蜂窝基站和其它 一些应用的需求，这些应用采用了借助宽信号带宽的复杂DPD数 字预失真）技术。DAC需要兼具性能和灵活性，特别是对于支持4 至6载波GSM专输规范或其它通信标准的系统。汽车、能源和航 空电子系统也存在高性能挑战， 在这些应用中， 转换器的可靠性 是最重要特性之一。 转换器必须达到特定的行业规格， 并具备很 长的生命周期。当前，高分辨率 ADC成本正大幅降低，可为设计 人员带来

8、诸多好处。 设计人员进行工业和数据采集项目设计时， 很可能会遇到以 下这些模数转换问题： 对极宽动态范围内的输入信号进行数字化处理，例如环 境声压计要能在60至80dB范围内检测信号； 适应不同来源且信号范围截然不同的信号 ; 解析某一确定值的上下微小变化，旨在扩展以该点为中 心的范围。 如果使用相对低分辨率的 ADC如10位有效分辨率，高电 平信号的分辨率可能接近 10 位。然而，对于低电平信号，如果 小于满量程的 10%，其有效分辨率可能不超过 6 或 7 位。因此在 很多情况下，对于精度只有 1%的专感器来说，等效精度为 0.1% 的 10 位分辨率足够了。然而，对于更低电平信号，有效分

9、辨率 可能小于 1%。 设计问题的解决之道 这些设计问题有很多解决方法，以下主要列出三种： 在相 对较低分辨率ADC之前连接可编程增益放大器（PGA）;将输入信 号加在ADC之前连接的缓冲放大器；使用高分辨率ADC 下面逐一评估这些方法。 PGA法 历史上，PGA方法曾经非常流行，因为与较低成本 ADC配对 使用时，它比高分辨率ADC更具成本优势。此方法特别适用于输 入信号接近0V但具有较宽动态范围的情况。图 1是集成PGA的 ADC原理示意图。 这类似于过程控制系统， 需要监控具有不同信号范围的各种 传感器信号， 例如声压计。 如果对较宽动态范围的信号进行增益 范围调整，所产生的最关键误差是“交越不匹配”。 这意味着当PGA切换到不同的增益值时，数字输出可能在那 个点发生上下跳变。 因此，在每一级都必须小心匹配增益来降低 这种影响。从不同信号源中复用信号时，这个问题并不重要。然 而，这与系统是否针对每个信号设计固定增益有关， 如图 2 所示， 或者对于较宽范围信号输入进行动态增益切换。 增益范围调整方法会