数据转换器的选择标准正在出现新的变化。设计师们不再指定定制元件或将IP映射到定制的SoC上,相反,他们试图在特定应用的要求与特定数据转换器的性能之间寻找更好的匹配。分辨率、速度和功耗不再是唯一的判断指标。
因此,转换器制造商已经加倍努力使他们的产品更好地匹配每一种终端应用的特定参数。其结果是涌现出一大批各式各样的器件,反映出各家供应商的不同理念,并表现在产品种类的绝对广度上。
一般而言,数据转换器的分辨率可以根据制造商的数据手册和客户的设计规范进行重新调节,这不仅表现在位分辨率上,还包括有效位数(ENOB)、信噪比(SNR)和无寄生动态范围(SFDR)。当利用高速模数转换器来追踪一个快速变化的信号,并对其幅度进行数字采样时,过采样技术(如Δ-Σ)会缓和幅度变化,并减小在指定的时间间隔里捕获这些变化所需的分辨率。你也可以利用一个前端可编程增益放大器代替数据转换器来对信号幅度进行更好的分级。这样,对AC信号捕获应用,以前要由全16位A/D转换器捕获的音频信号,现在用一个2位的开关电容转换器就可以捕获到。
正如模拟器件公司(ADI)的高速转换器产品线总监Kevin Kattmann所言:“若某一客户需要9-1/2的ENOB,他们将只需支付这个性能的价钱,而无需多花一分钱。”
的确,ADI等公司正在努力使数据转换器的构建模块满足特定应用的需求,而不必实际构建那种定制的器件。诸如视频信号捕获、医辽成像和软件无线电等应用使对转换器的要求超出了分辨率和速度的范畴。
例如,蜂窝基站的性能更依赖于SNR(能实现更多的蜂窝信道)及SFDR(可以在存在强干扰信号的情况下检测到微弱信号),而不是位分辨率。另外,机顶盒不仅需要兆赫级的采样频率来捕获视频信号,它们还需要10和12位的分辨率,即使每RGB色彩超出8位像素深度,肉眼就无法辨别。机顶盒制造商要求更高的分辨率来适应图形覆盖功能和不断变化的宽带通信标准,Kattmann表示。
除了数据转换器的性能,如时钟系统和PCB信号路由外,可以感知的分辨率和速度常常是工程师们的考虑因素,Maxim公司的高速数据转换器业务经理Maher Matta指出。对于超声波这类采用相阵天线捕获多达256或512单独信号的应用来说,尤其是如此。
除了高采样频率,转换器还必须提供高信道隔离(达110dB),Matta说。
超声波设备制造商也评估SNR性能以提高图像质量,ADI的Kattmann表示。但与这一要求相关的是输入的过范围恢复(overrange recovery),以允许在靠近及远离传感器阵列的表面上都获得锐化的图像质量。
象以往一样,竞争大战仍由ADI的竞争对手们发动,包括德州仪器(TI)、Maxim、凌特和国家半导体公司,他们在幅度分辨率、转换速度(采样率)和功耗之间各有折衷。由于无法了解详尽的客户需求(如高信道数),数据转换器制造商假设用户将倾向于他们能找到的速度最快且分辨率最高的转换器,然后根据功耗和成本进行某些调整。
尽管从相同的A/D转换器同时获得超高分辨率和超高速度一直以来都存在技术性的障碍,但由这些指标定义的坐标轴持续向外扩展。市场总存在一种“极端主义”,即不计成本地追求极限的性能,ADI高速转换器产品线总监Dave Robertson指出。
在速度轴上,最快的商业A/D转换器具有1、1.5 或 2 GHz的采样频率,但位分辨率实际上只有8位。在其它轴(具有DC精度的位分辨率),基于逐次逼近寄存器(SAR)的转换器已经扩展到16或18位。例如,16位A/D的分辨率为65,535 (1/2N),这里N是指ENOB)。不过,这些器件的采样频率只有1或2MHz,比最快的采样器慢了几个数量级。
如果是Δ-Σ器件或DSP增强型转换器,那么位分辨率可扩展到24位(16,777,216)。这个分辨率的采样频率可以适用于没有dc参考值的音频信号。在dc精度下,Δ-Σ器件(如Cirrus Logic公司的CS5550)每秒只能捕获几千个采样信号,这又慢了几个数量级。
德州仪器正在致力于开发同时提高分辨率和速度的产品。它的ADS1271是一款dc精度的Δ-Σ转换器,其采样频率达到空前的105 ksamples/每秒。它使用户可以捕获50 kHz带宽信号(如电机轴承摆动)的微小变化。该器件对于那些需要整合dc和ac测量的人来说是一种“桥梁式”的产品,TI的Δ-Σ转换器产品线经理Jim Todsen说。
图1:商业应用推动数据转换器
的性能发展
早前,TI推出了业界最高分辨率的SAR转换器之一,即18位的ADS8381,其采样率为580 ksamples/每秒。“目前,Δ-Σ和SAR架构都具有广宽的发展空间,”Todsen说,“二者都在做它们以前没有做过的事。”
不同的产品理念
市场调查公司,如Gartner Dataquest、iSuppli以及Databeans的统计数据表明,在数据转换器市场,TI的总收入紧随ADI之后,在21亿至24亿美元之间。一般公认,ADI占有大约40%的市场,TI占15%,Maxim、凌特公司和国家半导体瓜分剩下的份额。
尽管所有这些制造商都提供面向多个市场的构建模块,但在定制化过程中,他们追求的理念略有不同。ADI看来要凭借其产品组合的绝对广度来满足专业客户的需求。例如,在iCMOS和iBipolar领域的专用半导体工艺和封装技术能满足工业用户对高电压保护和更大工作温度范围的需求。
相反,“凌特公司避免只瞄准单一客户或狭窄的市场领域,而是将推出面向广阔市场领域的产品,至少锁定5家知名客户(10家更好),”该公司混合信号产品部副总裁兼总经理Bob Reay表示。
类似地,ADI的竞争对手也将拓展他们的产品组合,但着重强调三项最主要的指标:分辨率、采样速度和功耗。TI在分辩率方面走在最前沿；Maxim和国家半导体则致力于把速度阈值推进到1GHz及以上。8位GHz采样器的产品包括国家半导体的ADC-081000、Maxim的MAX104和Atmel的AT84AD001B。事实上,Atmel公司正在推出一系列雷达处理器,包括具有10位分辨率(8位有效位数)、2GHz采样频率的TS83102G0B。
凌特公司相信它在低功耗方面处于领先的地位。典型地,在转换速度和功耗之间存在直接的关系:速度越快,功耗越大。“我们将优化各个产品以求最低功耗,并在这种功耗水平上努力获得最高性能,”凌特公司产品营销经理Todd Nelson表示,“一般,我们的功耗只有竞争对手的三分之一到四分之一。”
实例包括LTC1407A,一个3megasamples/s的14位A/D转换器,典型功耗14mW；以及LTC2255,一个125Msamples/s的14位A/D转换器,功耗为395mW。
并非只有手持设备才要求低功耗,Nelson说。空间受限的服务器和电信系统卡板柜都有这种需求。Nelson认为,随着设备尺寸从房间大小缩小到只有冰箱大小,板卡之间的间距变得更紧凑。转换器芯片必须具有更小的占位面积,提供更低的功耗以及最小的热耗。
国家半导体公司的产品线总监Antonio Visconti 表示,该公司的定位是首先要满足客户的性能要求(如采样率和分辨率),然后再关注功耗问题。 例如,1-Gsamples/s的ADC08D1000在一个“折叠”架构中使用多个并行比较器(相当于一个两级的闪速转换器)来获得它的高采样率。利用目前的技术(成本较低的0.35微米CMOS工艺),是无法使众多的并行比较器运行得如此快速,同时又不必消耗大额功率的。但国家半导体8位产品的功耗仍仅为1.6瓦,远低于竞争产品在这一速度范围内的功耗值。例如,MAX104的功耗为4.88瓦,不过,该器件是一款雷达处理器。Maxim公司的Maher Matta解释说:“军方客户更多关注的是性能而不是功耗。”
尽管双转换器架构旨在成为针对通信或自动测试设备(ATE)的通用构建模块,国家半导体的Visconti相信,它将支持数字无线电(如蜂窝基站)中的I/Q提取。
但在蜂窝基站的接收机领域,用户的应用复杂性已经开始取代对更高分辨率和速度的疯狂追求。凌特公司的设计负责人Richard Reay指出,蜂窝基站制造商正在采样RF频谱。对采样速度的需求似乎很明显:采样率越高,能被捕获的RF频谱带宽就越宽。最初,市场是由12位65-Msamples/s转换器制造商所占据。
当数据转换器市场的竞争对手开始提高他们的采样率时,基站制造商已经在利用来自多个供应源的类似器件。使用来自多方的相对标准化的构建模块,确保了比ASIC更快的上市时间,也保证了富有竞争力的价格,Reay说。
当供应商开始为同样的应用提供14位器件时,对更高分辩率的需求是显而易见的:14位器件的SFDR更宽,使得基站能够在存在很强干扰信号的情况下捕获更微弱的蜂窝信号。换言之,较宽的动态范围(如更高的位分辩率)将防止弱信号被强干扰信号所淹没。
结果,目前大量的制造商正在生产125Msamples/s的14位数据转换器,包括凌特公司的LTC2255、ADI的AD9445和TI的ADS5500。这一应用似乎对分辩率和速率的需求永无止境,但实情并非如此。“基站制造商正处于严酷的价格压力之下,”Reay表示,“他们努力在降低成本上下功夫而不是在性能上做文章。为此,他们正在寻求更省钱的方法。”
在许多情况中,基站设计已放弃14位转换器,而转向12位转换器,后者由前端增益放大器支持。
Reay表示,这并不是说16位、125 Msamples/s的转换器没有市场。但其用户或许是通信测试设备制造商,而不是以前设想的基站制造商。
作者:光斯帝
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