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文档简介

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

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