新兴应用给数据转换提出新要求

2009年05月30日 11:05    李宽
关键词: 数据转换
数据转换器是把模拟和数字世界联系起来的关键信号模块。它们把由传感器、变送器以及热电偶产生的信号进行数字化转换,从而得到可供分析、处理、存储并由计算机显示的数据。
  数据转换器实际上使得每一种应用的功能得到增强,如在通信、网络、仪器、工业过程控制、医疗和军事航空领域、蜂窝基站接收机、机顶盒、便携式收音机、有线电视基础设施、网卡、数据采集系统、测试设备以及工业和医疗成像系统等等,不一而足。
  对高速通信、高分辨率显示器、高性能音视频等功能不断增加的需求以及与日俱增的数字内容,对信号调理电路提出了更为严格的性能要求,特别是在数据转换器的要求上。
  据市场分析公司Databeans的分析,2008年数据转换器市场比前一年增长了18%,并有望超越整个半导体行业的增长率。然而,2009年预计增长将大为放缓,仅仅为10%~12%。从长期来看,数据转换器市场在2013年之前将以11%的年复合增长率持续发展。增长最快的领域在通信以及医疗成像市场。
  2013年数据转换器的单位出货量将从2008年的27亿美元增长至大约60亿美元。2012年该市场将从2006年的20亿美元增加至37亿美元。然而,因市场和金融危机所致,这些产品的平均售价有望下降。

  图1:工业应用是数据转换器的最大市场。

  这是一个非常有利可图的IC市场,因而吸引了许多新的进入者,尽管该市场仍然由大多数模拟供应商主宰。2008年ADI公司占据了整个数据转换器市场47%的份额,TI和Maxim以19%和10%的份额紧随其后。其它供应商包括凌力尔特FairchildIntersil、ST以及美国国家半导体(NS)。最后要提一下,高性能数据转换器市场占有率在上升。2008年,数据转换器市场占整个标准线性器件市场总销售收入的17%,并且大约相当于整个模拟器件市场的7%。
  高性能数据转换
  ADC(模数转换器)的选择是基于若干系统准则,如分辨率、转换速度、功率要求、物理尺寸、处理器兼容性以及接口结构。ADC必须具备足够的比特(bit)数以获得应用所需要的分辨率以及精度。
  高速A/D转换器跟踪快速变化信号的方法是在各个时刻对信号幅度进行数字采样,它们已经成为了区分需要信号采集以及处理的各种高性能设计的根本组成部分。其特点在于具有高分辨率以及每秒千兆采样点的采样速度。
  许多新兴的应用需要高速A/D转换器,以提供在处理高频输入信号中的更佳动态性能。例如,在无线基站中,数据转换确保获得出众的语音质量。高速A/D转换器是需要信号下行变换的通信系统的关键;在嵌入式DSP处理中,最新一代的网络切换就需要外部高性能模拟元器件。数据转换器的性能要求与DSP的要求密切相关。实际上,大多数应用均采用DSP来处理由各种传感器采集的模拟信号中的信息。对ADC的选择常常也依赖于模拟信号被读出的方式。除了分辨率和速度之外,数据转换器的其他性能,如时钟系统以及电路板信号的布线对于最终应用也至关重要。
  分辨率、转换速度以及功耗不再是选择A/D转换器的唯一准则,其它准则包括有效数字位(ENOB)、信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)以及信道隔离度。例如,蜂窝基站对原始bit分辨率的要求就不如对SNR(它使得蜂窝信道数更多)以及SFDR(它允许在存在强干扰信号时检测出弱信号)的要求高。
  目前上市的新一代ADC给新兴市场带来了更高的性能以及更低的成本。高速12bit转换器正首次向新兴的应用供货。例如,机顶盒需要10bit和12bit的分辨率,以及针对视频信号捕获的MHz级采样率。从设计和工艺技术的观点来看,这些ADC的性价比已经最优化。在高性能的A/D转换器中,噪声和功耗是关键的参数。
  另一个重要的要求就是小外形。正是因为这一原因,数据转换器生产商也投资于先进的封装技术。
  TI公司最近推出了业内第一款单信道D/A转换器家族,它以SC70封装供货,比标准的SOT23器件要小40%。其特点在于具有1.8V@80μA的低功耗,因此,这些器件对于电池供电和手持应用、自动测试设备、精密仪器、波形发生器、工业过程控制以及医疗设备是有吸引力的。
  数据转换器制造商承诺针对特殊的应用推出产品。
  通用器件与之相反,其特点在于采样速度要低一个数量级,并且更加适合监控系统以及采集诸如温度和电压这样的控制参数。这种元器件的一个例子就是ADI的AD7294ADC,它是一种高度集成的器件,提供了诸如电流、电压以及温度感测这样的通用目的监测应用所需要的所有功能。这种转换器在一个芯片上集成了对电流、电压和温度进行感测和控制所需要的全部功能。

  图2:针对医疗应用的ADC的选择以若干准则为基础,如分辨率、转换速度、功耗要求、物理尺寸以及接口结构。


  为了获得所需要的性能,在确保时钟速度和精度以及PCB(印制电路板)设计时,要掌握高速数字、线性、RF(射频)以及一些仪器技术方面的设计技能。
  为了实现上述目的,获得完整的参考设计是关键。
  采用分立ADC,还是集成ADC
  最近几年,模拟设计工程师也趋向于越来越多地采用系统级设计方法。
  ADC越来越多地被实现在SoC(系统芯片)上,特别是用于移动通信系统的ADC。最新一代的消费和移动通信系统需要延长电池寿命,正是出于这一考虑,厂家制造了低压供电的SoC。因此,ADC也被集成进低压供电的SoC之中。
  嵌入式数据转换器在消费电子应用中受到了欢迎,在该领域的应用中,至关重要的是以最小的空间来集成各种系统,但是,付出的代价是性能欠最优化。
  市场存在越来越多地把混合信号数据转换器集成进SoC(系统芯片)之中的需求。
  这就给设计工程师提出了新的挑战:在数字域是专家的设计团队,在集成模拟IP的过程中面临新的挑战。进一步说,把混合信号数据转换器集成进SoC之中,满足所需要的性能,代表着一项充满挑战的任务,并且它会给项目引入高风险。
  数据转换器代表着在模拟IP市场一个日益增长的领域。在市场上有大量的嵌入式转换器IP,其中,每一种嵌入式转换器IP均被设计为满足特定的用户需求。
  例如,模拟与混合信号IP核提供商CosmicCircuits公司已经宣布,其产品线中有超过20个A/D转换器核是用于监控应用的。其IP核产品线包括分辨率为8~10bit的A/D转换器,以及速度从200 Ksps至20Msps的A/D转换器,它们通常被用于监控应用。这些A/D转换器的理想应用包括触摸屏控制和电池电压、温度、RF功率电平、电源电平等的监测,以及传感器驱动和若干控制环路的应用。
  相比之下,在高性能应用中分立器件受到欢迎,因为它们相对于嵌入式A/D转换器来说提供更高的性能以及较大的灵活性。正是出于这个原因,它们在高端应用中受到欢迎。
  在工业和医疗应用中对数据转换器的需求
  新级别的高性能、小外形、低功耗数据转换器提供高速响应、多信道以及低延迟,这些是非常重要的工业以及医疗应用所特别需要的。
  工业是数据转换器的最大市场。出于提高生产效率、控制库存以及缩短上市时间等考虑,工业精密设备工程师采用具有多信道的模块化数据转换方法。设计工程师依赖于客户的需要,要求灵活性地改变分辨率并快速地改变信道数。
  Microchip公司的MCP3001 10bitADC在小的封装中实现了高性能及低功耗,使之成为嵌入式控制应用的理想选择。该器件的特色在于采用了逐次逼近寄存器(SAR)架构以及工业标准的SPI串行接口,让10bitADC的性能可被添加至该公司的PIC系列单片机中。MCP3001的应用包括数据采集、仪表和车辆、多信道数据记录器、工业PC、电机控制、机器人、工业自动化、智能传感器、便携式仪器以及家庭医疗设备。
  数据转换器在医疗电子应用中也发挥越来越大的作用。据市场分析公司Prismark Partners分析,医疗设备市场占全球电子行业营业额的4%,且营收以每年平均5.6%的速率增长,到2010年将达到660亿美元的市场规模。医疗电子设备包括可植入式设备、诊断仪器以及监测设备。该市场将由个人便携式医疗设备的爆炸式增长点燃,这些个人便携式医疗设备越来越紧凑,并将在精度、成本以及简便性上持续获得改善。便携式医疗监测系统,如血液分析或血压测量系统,让人们能够方便地检查身体;这些设备被用于远程监测病人的关键参数;这些设备被放置在家中,医院以及急救车可进行非见面式(non-invasive)治疗。大多数便携式监测以及医疗成像系统均设计为从病人那里接收某种信号的传感器阵列。
  因此,这些设备需要对信号调理电路进行一些组合,包括放大器滤波器以及把从传感器读出的模拟读数转换为数字的ADC,之后,这些数据才能存储在医疗设备的存储器或在显示屏上显示。除了尺寸小之外,模拟电路—特别是ADC的性能—是精确读出传感器的输出的关键。数据转换器还应具有低功耗的特点,以提供更长的电池寿命以及更长时间的读数。
  医疗用ADC的选择要基于若干准则,如分辨率、转换速度、功率要求、物理尺寸以及接口结构。ADC必须具有足够的比特以获得精度规范所要求的分辨率。典型的要求包括至少12bit的分辨率以及1Msps或以上的转换速度。医疗应用既需要高转换速率(大于40~50Msps)以及精密的ADC,也需要与处理器兼容,以免采用额外的胶合逻辑;因此,对ADC架构、接口结构以及ADC时序的选择均与系统处理器的选择有关。
  便携式医疗应用通常采用SAR ADC。该架构是测量从稳态至几MHz信号的理想选择。这些ADC还具有响应快和延迟低的特点。另一个突出优点是功耗低,它随着采样率而变化,与其它的ADC架构如闪烁或流水线型ADC不同。
  ADI推出了称为PulSAR的16bit SARADC,其采样率在6Msps至10Msps间,锁定的是新一代数字X射线系统、磁共振成像(MRI)设备以及计算机X射线断层摄影术系统。PulSAR家族ADC以CMOS工艺为基础,ADC架构具有零数据延迟率,它是精密数据采集系统的关键参数。
  凌力尔特公司推出的LTC2366 12bit SARADC的工作速度高达3Msps,工作电压从2.35V至3.6V;该器件以最大输出速率工作时仅消耗7.2mW功率,比市场上类似器件的功耗少20%。因外形尺寸的减小以及功耗非常低,LTC2366成为各种便携式应用的选择之一,包括医疗设备。
  Maxim推出的低功耗数据采集系统MAX1329集成了精密的、用于信号调理以及感测的数据转换器。MAX1329的特点在于具有基于SAR的16bit分辨率的ADC,因此,是诸如血糖传感器等应用的理想选择。
  通信应用对数据转换器的要求
  高性能12、14和16bit器件是下一代通信系统的关键元器件,它们把现有的技术推向了新的极限。高性能模数转换是把发射和接受链路数字化的关键。这种技术不仅对ADC的性能提出了重要的要求,而且对新的灵活性和简化性提出了要求。无线基站需要更多的信道以支持复杂的新兴空中接口标准,这就迫切需要更快和更低功耗的数据转换器。
  NS不久前推出了16bit 130MSPS ADC,其特点在于具有高线性性能以及低功耗,应用锁定在特别高容量、高性能多标准无线基站接收机。
  此外,富士通微电子欧洲(FME)公司已经开始供应基于新的充电模式交织采样器技术(CHAIS)的新型超快ADCIP。这一架构使得在单芯片上集成多颗ADC以及几百万门的信号处理逻辑以及存储器成为可能。它不需要采用昂贵的多芯片模块(MCM)技术。其ADC的特点在于采样率高达100Gsps,采用65nmCMOS工艺技术制造,预计2009年可以开始供货。该技术的应用最初锁定100G光传输,也可用于高端测试设备以及任何需要高速数据转换及处理的其它系统。与传统的、通常采用SiGe工艺技术制造的高速数据转换器相比,这些器件提供更低的功耗、更小的外形。(周智勇译)


  图3:许多新兴的应用需要高速ADC,以提供处理高频输入信号时需要的更高动态性能。例如,在无线基站中,数据转换确保提供较高的语音质量。
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