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消费者需求推动数据转换器设计的发展

专家观点中国仪表网2008年11月26日 10:02人气:534

  在即将到来的一年,手机通信、医疗成像、消费娱乐及其他终端市场日益增长的性能需求将带来新的转换器架构,即连续时间∑-Δ(CTSD)架构,它能够实现超高的分辨率,而且速率无需折中。许多重要的终端应用将从中受益,例如,手机基站将捕获更宽的RF频谱,同时保持出众的分辨率,以在极强的信号背景下捕获更弱的手机信号,这样带来的好处是手机用户的通信区域将更广,掉线率则更低。 

    确实,数据转换器在种类广泛且不断扩大的电子系统中发挥着关键的作用。在医疗成像、工业乃至消费类市场的每个领域,从数字X-射线到高清电视、GPS设备以及游戏控制台,数据转换器致力于增强终端用户体验。 

    用于工业领域的传统模数转换器(ADC)有很多种架构,这些架构通常具有高分辨率或高转换速率(或采样速率)。换句话说,存在一个基本的假设,从技术角度来看,兼备极高分辨率和超高速度性能的ADC是不可能实现的。例如,目前最快的商用ADC的采样速率范围为1~2GHz,但其分辨率通常限制在8bit;而具有18bit甚至24bit分辨率的转换器的采样速率范围仅为1~2MHz———对于24bitADC来说,采样速率甚至会更低。 

    今天的ADC:在速度与分辨率之间进行权衡 
    在CTSD问世以前,系统设计工程师拥有一系列定义清晰的选型方案。当他们需要数MHz以上的采样速率时,会选择流水线型(pipeline)ADC。这类型ADC采用多级结构,其中每一级同时执行1bit至数bit的连续采样;在每个特定时钟周期的结束端,指定级的输出传输至下一级,新的数据进入这一级;通过将每一级的比特(bit)结果进行连接,即可获得最终的多比特结果。 

    在过去的几年里,设计工程师将流水线型架构推向了更高的采样速率与分辨率。现今的器件在8bit~16bit的分辨率上,已经能提供从数MSPS到100MSPS以上的采样速率。根据市场研究公司Databeans的统计,PipelineADC已经占据整个ADC市场的40%以上,通常应用于CCD成像、超声波医疗成像系统、手机基站,以及HDTV等消费类数字视频应用中。 

    当应用需要更高的分辨率且采样速率低于约10MSPS时,逐次逼近型(SAR)ADC往往是首选的解决方案。这类器件执行二进制搜索算法,以实现输入信号的会聚。为了处理快速变化的信号,SARADC内置输入采样保持(SHA)电路,可在转换周期内保持信号的稳定。 

    SAR转换器的分辨率为8~18bit,采样速率高达10MSPS,广泛用于需要低噪声、低功耗和小型封装的系统。其典型应用包括:工业控制、多通道数据采集系统,以及便携式/电池供电仪器仪表。这种架构能够以中等速率和较高精度处理数据,这是SAR转换器在工业与医疗系统中取得成功的关键。
 
    缩小差距 
    PipelineADC与SARADC在数据转换器市场占据着重要的地位,并将在未来很长的时间内继续发挥其重要作用。这两种广泛应用的ADC架构属性不同,各有所长。PipelineADC在宽带宽范围内具有出众的性能,SARADC则具有低噪声和低功耗,但至今还没有哪种ADC架构能够实现这些性能参数的完美结合。

目前,在移动基础设施、医疗、视频、仪器仪表、测试与测量领域,新的应用不断涌现,需要ADC能够实现这些特性的独特组合。例如,核磁共振成像(MRI)系统等医疗应用需要更高的分辨率,以提供更精确的病人诊断结果。此外,在任何一个应用之中,低功耗特性也都变得越来越重要。
 
    为了缩小这种性能差距,CTSDADC架构应运而生。这项新技术利用过采样与噪声整形的基本原理,以及创新的连续时间环路滤波器架构,来实现低噪声与宽带宽。 

    这种新的架构与传统的流水线型ADC或SARADC有所不同,主要体现在以下几个重要方面:首先,CTSDADC使用连续时间积分器,而不是离散时间积分器或电路;其次,CTSDADC的采样操作发生在数字转换器中环路滤波的输出端,而不是ADC的输入端;最后,与量化噪声均匀分布的流水线型ADC或SARADC不同,CTSDADC中的环路滤波器将带内量化噪声推至带外。这些特性使得CTSD具有极低的噪声与宽带宽性能,而且对ADC输入端的滤波方案没有严格限制。 

    采用这种新架构,ADI公司正在开发的ADC具有高达10MHz的带宽、86dB的动态范围,以及15dB的噪声系数。CTSD架构中固有的独特性,有助于设计工程师大幅减少甚至完全无需传统信号链路中常用的基带滤波器、驱动放大器,以及自动增益控制。此外,通过在芯片上集成可编程带宽抽取滤波器、采样速率转换器以及时钟乘法器,这些新器件能提供更简单的信号链路,显著降低系统成本。这些优势使系统设计工程师能够利用CTSDADC构建具有更高动态性能的新型信号链路,可用于无线基础设施、医疗成像、工业以及仪器仪表市场等各种应用。 

    从无线通信与工业到仪器仪表与消费类电子,今天的终端应用对性能的需求不断提升,这为系统设计工程师选择数据转换器件带来了严峻挑战。显而易见,流水线架构与SAR架构具有明确的性能优势,它们将继续在许多领域中推动ADC的应用。新兴的CTSD技术及其缩小两个主要数据转换器架构之间性能差距的能力,将为更高性能与更低成本的下一代终端解决方案打开一扇大门。
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