数据转换器：多种专利技术扩展转换之门

数据转换器是模拟世界与数字世界之间进行转换的桥梁。近年来，随着人们的生活设施不断被数字化，数据转换器的需求量也越来越大。今天，在我们所使用的手机、数码相机、MP3、数字电视以及数字化仪表中，都有多个数据转换器的应用。而且，近年来各种新应用对数据转换器提出了高带宽、大动态范围和低功耗的需求，厂商使用各类专利技术努力满足这些应用需求。

新应用要求扩展“转换门”

数码产品的特点是将信息先数字化，经过各种处理之后再转换为现实生活所需的模拟信息。信息数字化会给人们带来很多好处。例如，数字信息在存储和传输过程中不容易损耗，可以进行多种处理，而且经过数字化的产品的价格下降得更快。在信息数字化的过程中，数据转换器这类模拟器件变得不可或缺。“它就像大门一样，这扇大门决定了有多少信息能够在模拟域和数字域之间通过。”ADI高速信号处理产品线总监DavidRobertson对《中国电子报》记者介绍说，“其中，大门的宽度就像是转换器的带宽，高度就像是转换器的动态范围。”
值得注意的是，新的应用需要更高的带宽或是更大的动态范围，也就是说要求转换器这扇大门要越来越大。凌力尔特公司产品市场经理AlisonSteer女士对《中国电子报》记者举例说，在多输入多输出(MIMO)WiMAX/LTE和3G基站设备中，接收器对ADC(模数转换器)的要求是在接近125Msps采样率时具有高的无寄生动态范围(SFDR)，即在140MHz输入频率时动态范围大于85dB。“对于将射频信号下变频转换成更低频率以进行数字化的通信系统来说，减少系统整体成本的一个办法是将高输入频率直接进行数字化(高中频采样)。”Intersil公司的MattaMaher在对《中国电子报》记者介绍先进通信系统的一个重要演进趋势时说，“这样，系统设计者不需要进行两次降频转换，可采用简单的单次频率转换，然后再对高中频信号进行采样。要有效地完成这个工作，要求ADC具有高输入带宽和低孔径抖动。”同时，美信中国区市场传播及应用支持经理魏智女士也介绍说，很多先进的工业应用，例如先进的电力线监控系统或现代三相电机控制系统，需要使用高性能、多通道、同时采样的ADC。这些应用需要在大约70dB至90dB(取决于具体应用)较大的动态范围内实现精确的多通道同时测量。“如果以动态范围作为横坐标，带宽作为纵坐标，你会看到，各种新应用会构成一个不断向外扩张的扇形。”ADI公司的DavidRobertson说，“为此，这些年数据转换器厂商一直致力于提升数据转换器的带宽和动态范围，以使更多的信息通过这扇大门。”
除此之外，低功耗性能也非常重要。无论是通信、医疗还是工业测试仪表，都对器件的低功耗提出了很高的要求。

专利技术提高三大指标

新应用对数据转换器提出的三大要求———高带宽、大的动态范围和低功耗，这三个指标也是市场上主流数据转换器厂商不断追求的。
据凌力尔特AlisonSteer女士介绍，该公司的16位185MspsLTC2209ADC系列含有一个内部抖动电路，以随机处理线性度误差的影响，从而减少噪声。就低电输入信号而言，该电路改善了无寄生动态范围，使其动态范围远高于100dB。而在高速ADC电路中，数字反馈是一个常见问题，它降低了ADC的信噪比(SNR)和无寄生动态范围性能。凌力尔特的LTC2262系列14位/12位、25Msps至150MspsADC提供一种新的交替位极性(ABP)模式专有功能，以降低通过良好的布局也可能无法消除的数字反馈。
Intersil公司的转换器产品利用创新的charge-domain(电荷域)工艺(FemtoCharge)，来研发满足上述三大特性的数据转换器。而且，对于需要更高采样率的应用来说，公司还设计出一个具有专利的交错技术，就是交错使用两个低功耗的高速ADC内核，来实现高速应用。

关注系统级封装产品

除了性能指标上的更新外，数据转换器产品也在被不断地提高集成度。ADI公司的DavidRobertson说：“现在，我们经常会与客户谈论这种集成最终会发展到什么程度。”去年，ADI推出的AD9272就在10Msps～80Msps的12位模数转换器上集成了八通道的可变增益放大器(VGA)、低噪声前置放大器(LNA)、抗混叠滤波器(AAF)。凌力尔特的AlisonSteer女士介绍说，目前集成的趋势是给ADC集成更多的信号通路，同时使数字接口更灵活和更易于管理。Intersil则在探讨如何采用交错架构把更多的低功耗高速ADC内核集成在一起，从而设计出更高速率、更高分辨率的产品。“谈到集成，除了有系统级芯片外，还有系统级封装和板级集成。”ADI公司的DavidRobertson介绍说，“实际上，我们目前在系统级封装领域投入了大量的精力。”
凌力尔特公司也早就开发出了一种微型模块(μModule)封装技术。他们推出的LTM9003系统级封装技术，消除了工程师匹配信号链路阻抗的难题，使工程师能够专注于软件开发，以便使产品更快上市。而对中国市场的真正益处是，这个系列的微型模块器件具有集成式高速率ADC，属于接收器子系统类别，已获得了美国出口管制分类号(ECCN)5A991。这意味着，它不需要美国出口许可证就可运到中国。相比之下，分立的高速率ADC的出口受到美国政府的限制。

集成高速接口是新趋势

在数据转换器市场中，一个颇为重要的新话题是业界推出了集成新型JESD204高速接口的数据转换器。这个高速串行接口在数据转换器和FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)上的专门SerDes（并串行与串并行转换器）端口之间实现了两线通信。这使FPGA的通用I/O引脚可以空闲出来用作其他用途，简化了布局并在模拟和数字平面之间实现了更好的隔离。与传统的并行数字接口相比，新型JEDECJESD204A接口只需使用6路互联信号，而一个并行接口则需要耗用整整28路互联信号，可见JEDECJESD204A可以省下将近80%%的连接线路。此外，JEDECJESD204A接口还具有单比特位错误检测功能，并且无须改变PCB印刷电路板的设计即可实现系统性能升级。
凌力尔特和恩智浦公司都相继推出了这样的产品。其中，凌力尔特的LTC227416位105MspsADC具有JESD204兼容接口，串行接口以2.1Gbps速率工作，但是可实现3Gbps或更高速率，串行LVDS（低电压差分信号）限于1Gbps速率。恩智浦即将面市的产品组合由新型高速16位模数转换器和数模转换器组成。DAC1408D650是一种双通道、带有4条JESD204A数据线、采样速率达650Msps的DAC。

1999年-2010年模拟器件与数字器件成本功耗变化图

新应用对动态范围和带宽的需求示意图

资料来源：ADI