數據轉換器:模擬與數字世界的橋梁

李 健 王 瑩

摘要：數字化需求的不斷增長，對模擬技術——特別是數據轉換器技術的需求變得更為重要。數字技術對信號轉換技術的要求越來越高，本文介紹了數據轉換器技術的發展和現狀。

關鍵詞：數據轉換器;ADC;DAC;SAR;Σ～Δ

隨著電子技術水平的不斷發展，作為從聯系真實自然界采集或傳遞感官信息與數字處理、存儲和傳輸所必備的橋梁紐帶，數據轉換器(Data Converter—ADC/DAC)起著至關重要的作用，也正是因為數據轉換器，尤其是ADC的廣泛應用，大大推動了數字世界的長足發展和進步。半導體供應商也一直在不斷加大對此的投入和技術創新。另外，與數據轉換器性能、集成度甚至成本息息相關的芯片工藝技術水平也在不段進步。而數據轉換器的性能決定了信號轉換效果的優劣，且在很大程度上決定了當今數字設備的性能。

市場年增9%

隨著人們對信號捕捉能力的要求逐步提升，數據轉換器的應用變得越來越廣泛，Gartner預測，獨立的數據轉換器產品收入將達到8.9%的年均增長率，營收從2009年25.67億美元增長至2014年39.37億美元。增長點主要包

括高端醫療/工業和測量應用(高平均售價)和低端消費類音頻產品(量大)，在醫療/工業應用的年均增長率為10.2%，消費類電子應用則為9.2%。市場調查公司Databeans預測，2010年數據轉換器的營收將有望比2009年增長20%以上。從長期發展來看，Databeans預計到2015年，轉換器市場會繼續保持9%的年均增長率。

市場表現方面，ADI是世界上最大的獨立的數據轉換器IC供應商，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商，不過面臨來自Cirrus Logic公司的激烈競爭。

高性能多通道轉換器是未來轉換器技術的大趨勢，同時要滿足不同差異化的應用需求。“ADI的市場策略是基于現今社會對信號處理的實際要求，用先進的轉換器技術及產品來為主要客戶提升系統性能。這就是ADI能夠遠超競爭對手并占據46%的市場份額的原因”，ADI公司轉換器部門副總裁Dick Meaney指出。

Gartner 模擬半導體研究總監Stephan Ohr認為，數據轉換器市場對性能的要求越來越嚴格，并滿足一些特殊性要求。傳統上，數據轉換器應用的需求是轉換速率和精度。速率以采樣率為單位，精度則體現在位分辨率。原始數據轉換器的性能每年都在不斷提高;而對更高精度和采樣率以及更高帶寬的需求在2011年將繼續存在。這些數值若能達到優良值就能夠幫助系統設計師減小系統體積，降低復雜程度和信號鏈的能耗。當然，與高速和高分辨率一樣，低功耗和更高集成度一直是數據轉換器產品的必然要求。在消費電子領域主要是音頻編/解碼器，競爭集中在將 A / D轉換器和立體聲的D / A轉換器集成在單芯片以及芯片成本上。盡管價格壓力很大，不過，現在的音頻編解碼器通常還是包括一個耳機放大器，電源管理器件和一個基于DSP的音頻增強處理器、3D音效擴展或噪音消除。基于Flash(快閃)和Pipeline(流水線)技術的數據轉換器同樣在諸如高清視頻播放器等便攜產品中得到廣泛應用。

帶有更大ASSP(專用標準產品)的集成數據轉換器在成本和性能方面的優勢仍在被激烈地爭論。許多手機應用相同的穩壓器芯片將立體聲音頻編解碼器與電源管理集成到一起，分立編解碼器供應商會說這是一種嚴重的音質妥協，因為編解碼器容易受到開關噪聲的干擾;但從市場反應來看，越來越多的專門數據轉換器將逐漸轉化為一個更加綜合應用的特定部分。

高分辨率ADC概覽

數據轉換器一個重要的應用是信號的采集和傳輸，這在通信應用中表現得極為明顯。在通信基礎設施方面，電信網絡(包括3G和4G)承載的數據量日益增長，正考驗著中國通信基礎設施的能力。這正是當今DAC和ADC技術面臨的主要挑戰之一。ADI 公司中國技術支持中心經理聶海霞指出，在所有類型的基站和無線基礎設施(WIFR)系統的現代設計中，極高速數模轉換器(DAC)都是占據主導地位的信號發生器。現在它們還能執行某些功能，以降低基帶處理器的負荷。這為設計人員提供了靈活度，使他們在改善信號質量的同時，能夠實現更簡單的設計、更低的成本以及更低的功耗。這也意味著，設計人員越來越多地要求DAC不僅能支持傳統的無線通信標準，例如GSM、WCDMA、TD–SCDMA、CDMA2000、WiMAX和LTE等，還要能滿足多標準蜂窩基站和其它一些應用的需求，這些應用采用了借助寬信號帶寬的復雜DPD(數字預失真)技術。DAC需要兼具性能和靈活性，特別是對于支持4至6載波GSM傳輸規范或其它通信標準的系統。汽車、能源和航空電子系統也存在高性能挑戰，在這些應用中，轉換器的可靠性是最重要特性之一。轉換器必須達到特定的行業規格，并具備很長的生命周期。當前，高分辨率ADC成本正大幅降低，可為設計人員帶來諸多好處。

設計人員進行工業和數據采集項目設計時，很可能會遇到以下這些模數轉換問題：

● 對極寬動態范圍內的輸入信號進行數字化處理，例如環境聲壓計要能在60至80dB范圍內檢測信號;

● 適應不同來源且信號范圍截然不同的信號;

● 解析某一確定值的上下微小變化，旨在擴展以該點為中心的范圍。

如果使用相對低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高電平信號的分辨率可能接近10位。然而，對于低電平信號，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，對于更低電平信號，有效分辨率可能小于1%。

設計問題的解決之道

這些設計問題有很多解決方法，以下主要列出三種： 在相對較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器(PGA); 將輸入信號加在ADC之前連接的緩沖放大器;使用高分辨率ADC。

下面逐一評估這些方法。

PGA法

歷史上，PGA方法曾經非常流行，因為與較低成本ADC配對使用時，它比高分辨率ADC更具成本優勢。此方法特別適用于輸入信號接近0V但具有較寬動態范圍的情況。圖1是集成PGA的ADC原理示意圖 。

這類似于過程控制系統，需要監控具有不同信號范圍的各種傳感器信號，例如聲壓計。如果對較寬動態范圍的信號進行增益范圍調整，所產生的最關鍵誤差是“交越不匹配”。

這意味著當PGA切換到不同的增益值時，數字輸出可能在那個點發生上下跳變。因此，在每一級都必須小心匹配增益來降低這種影響。從不同信號源中復用信號時，這個問題并不重要。然而，這與系統是否針對每個信號設計固定增益有關，如圖2所示，或者對于較寬范圍信號輸入進行動態增益切換。

增益范圍調整方法會產生以下問題：雖然可驅動一個12位ADC，但如果在其前放置一個增益為27 = 128的放大器，則放大器的有效輸入噪聲和失調電壓精度必須為18位。對于采用固定增益運算放大器，這會有問題，而采用PGA切換時，問題可能還會更嚴重。這樣，將精度要求從ADC轉移到PGA，卻沒有帶來任何好處。

● 在進行增益切換時，必須先對信號有所了解。可使用ADC的超量程輸出，并配合軟件，或者通過比較器來實現這一點。這個過程很麻煩，而且切換時間也會是個問題(也許您還記得古老的增益范圍調整DVM，在改變范圍時它的速度有多慢!)。

● 可以對增益為128的精密低噪聲運算放大器進行簡單的分析：計算有效輸出噪聲和失調電壓，并與低分辨率ADC的最低有效位(LSB)進行比較。然而，在高增益模式下，運算放大器的線性度會是個問題。

多緩沖放大器方法

如果傳感器或者信號源與內置ADC的數據采集單元有一定距離，可以使用多緩沖放大器方法(見圖2)。

單個高分辨率ADC

單個高分辨率ADC的優點是簡單(見圖3)。如果使用16位ADC，對于較小動態范圍的信號，丟失3、4或5位會使該信號的有效分辨率降至11至14位。然而，對于大多數傳感器來說此精度足夠了，因為ADC的精度相當于0.05%或更佳。

由于這些器件的價格最近已降到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，或者需要適應更寬的動態范圍，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性價比較高也更簡單的系統。

需解析0點附近某個信號值的微小變化時，顯然應選擇使用高分辨率ADC。這也是利用DAC補償大多數信號的替代方案。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整方法的PGA有諸如ADI 的AD8250[2]。

分立vs集成在芯片內部

同時，我們也應該看到，很多ADC，甚至是DAC的功能模塊已經被集成在微控制器/處理器/SoC內部，而且其標稱的分辨率已有高達16位。即便如此，分立的ADC和DAC同樣具有不可替代的地位。TI模擬器件事業部業務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位及以上的應用場合。

(2)對于高速應用，如通信基礎設施、醫療及測試計量設備等，很難找到處理器集成的ADC能夠勝任。

(3)即使是同樣標稱性能，分立ADC獲得較好設計性能概率大很多。

(4)作為模擬器件的ADC，相對容易現實模擬鏈路的功能集成，如，用于信號調理的PGA，輸入緩存(bu er)，電壓基準，以及其他輔助功能的模擬附件，如溫度傳感器，某些針對特定應用的硬件電路等。但對于以數字為核心的處理器器件，就可能存在與模擬電路的匹配設計問題。

(5)集成在微控制器/處理器/SoC內部的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(包括高性能ADC)的微控制器/處理器，其成本可能相對較高。

(7)PCB的布局和設計方便，如果ADC被集成在處理器內部，很難實現系統級的模擬-數字分離設計。

部分ADC/DAC廠商及產品特點

ADI的數據轉換器產品線應用廣泛，聶海霞介紹道，在智能儀表和智能電網方面，去年底該公司推出了四款能量計量集成電路(IC)，這種方案能夠提升應用于工商業和民用智能電表的精度和準確度。新產品是高精度的能量計量IC，可應用于包括三線和四線服務器的聚相裝置。這種IC的特點是能夠在超過1000 :1的動態范圍內進行動態及無功電能測量，精確度達0.1%，可謂業界首創。

在醫療電子領域，ADI推出了業界最為精準的單片數模轉換器(DAC)AD5791，提供該公司前所未有的精確度，使得放射科醫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疾病。ADI近期推出的其他醫療新品包括ADAS1128 24位電流數字轉換器、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接收機。2010年7月，ADI向中國市場推出了AD5755數模轉換器，配有動態電源管理，多通道，16位數模轉換器驅動能力;節約能源，并在工業應用中的I/O系統控制過程中十分可靠。ADI的高度整合數據轉換器AD5755是一套完整的多通道控制集成電路，整合了4個帶有可調控電壓或4~20mA輸出驅動的16位數模轉換器，以及動態電源管理。

TI模擬器件事業部業務拓展工程師王勝介紹，TI在ADC和DAC等數據轉換器產品中可以為客戶提供非常廣泛的產品系列，包括信號鏈產品和音視頻應用中的DAC及ADC產品。通常Σ-Δ型ADC被應用于高精度低速率的場合，不過TI利用自身掌握的核心技術，可使Σ-Δ型ADC到達24bit的分辨率、4Msps的數據速率，這一性能對于Σ-Δ型ADC來說不多見，至少從某種層面可以說明TI的Σ-Δ型ADC技術具有獨特優勢。

另外，為了滿足某些具有共性需求的特定應用，TI給客戶提供了“定制化”的選擇：⒈針對工業自動化及儀表應用中的對微弱小信號的采集需求，尤其是廣泛應用的溫度測量應用，并考慮到類似設計中客戶面臨的高性能、低功耗、高集成度/有限的PCB面積、低成本以及設計簡化的需求，TI推出了Σ-Δ型ADC，ADS1248/7/6和ADS1148/7/6系列產品，覆蓋24bit/16bit以及不同的集成度版本。⒉在工業過程控制、運動控制、電力自動化以及工業型號采集場合，逐次逼近(SAR)型ADC，由于其自身架構決定的無延時特性，以及可以實現更多的采樣速度和分辨率的折中選擇，得到了更廣闊的應用。TI可以提供分辨率從8bit到18bit，速度從每秒數千次采樣率到每秒數百萬次采樣率的更加寬泛的SAR ADC產品系列。⒊TI在高速ADC(主要以Pipeline型ADC)產品中也加強投入和創新，尤其在通信和視頻應用領域。

凌力爾特產品市場經理Alison Steer介紹，在高性能、高速 ADC 領域，凌力爾特產品具有極低的功耗。通過整合設計專長和創新性封裝技術，凌力爾特利用這個系列的產品開發出了高性能信號鏈路微型模塊 (uModule) 接收器子系統，這些子系統可以不受任何限制地交付到中國市場。這些器件已經從最近中國電信市場的增長以及中國一些主流公司的測試和儀表產品的增長中獲益。在工業應用的高精確度 ADC 和 DAC 領域，凌力爾特也是擁有顯著優勢的領導者，最近率先推出了真正的 18 位數模轉換器，該轉換器在整個工業溫度范圍內實現了有保證的±1LSB (低于 4ppm!) INL 和 DNL 性能。凌力爾特公司十分專注于設計高線性度數據轉換器，同時充分考慮靈活性、尺寸和功耗。公司開發了多個引腳和軟件兼容的產品系列，因此用戶可以選擇數字接口、內部基準、通道數和具中標度或零標度復位的 DAC 輸出或高阻抗 (LTC2635)。高精確度、電流輸出 DAC 系列還為設計師提供了在從 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產品線的業務經理Alex Dean介紹，Maxim ADC主要面向工業、通信、醫療和消費市場，大多數18位以及更高分辨率的ADC采用Σ-Δ設計架構，Maxim推出的低速24位、單通道ADC具有業內領先的單位功耗有效位(ENOB)指標，可理想用于手持式儀表和傳感器市場，近期將推出多通道、速度更高的ADC，以擴充24位ADC產品線。MAX11200系列Σ-Δ超低功耗(工作電流<300μA) ADC具有業內較高的單位功耗分辨率，較寬的動態范圍非常適合4~20mA工業控制環路。在規定的轉換速率下，內部數字濾波器提供高于100dB的50Hz或60Hz交流電噪聲抑制，是工業和醫療設備的理想選擇。MAX11102系列低功耗ADC最大功耗僅為9.9mW，可有效延長便攜式電子產品的電池使用壽命，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/電池供電的電子產品、汽車電子設計、太陽能供電系統以及系統監測。