消費者期望驅動數據轉換設計的發展

Ｎｉｔｉｎ　Ｓｈａｒｍａ

摘要：∑-△數據轉換架構可以彌補流水線型和SAR架構的性能差距，將為新一代的高性能和低成本終端解決方案打開一道大門。

關鍵詞：數據轉換；∑-△；流水線型；SAR；采樣率；ADC

未來一年中，蜂窩通信、醫療成像、消費娛樂以及其它一些終端市場對性能不斷增加的需求將催生一種新型的數據轉換架構，即連續時間∑-△架構(CTSD)，該架構在不犧牲速度的條件下提供了優異的分辨率。在許多重要的終端應用中都將受益于這種架構的優點。例如，蜂窩基站可以捕獲較寬的頻譜，同時還能保持出色的分辨率，以便能夠在有超強信號時對其他微弱的信號進行捕獲。這樣一來，將降低手機用戶在更廣的區域里的掉話率。

的確，數據轉換器(ADC)在非常廣泛的電子系統中起著至關重要的作用，而且這個范圍還在不斷擴大。無論是醫療成像、工業還是消費電子領域，從數字X光機到高清電視、GPS設備以及游戲機，數據轉換器都能提升終端用戶的體驗。

過去，業界采用了各種的模數轉換架構，這些架構要么提供不錯的分辨率，要么提供更高的轉換速度(或采樣率)。換句話說，這里面都隱含著一個假定，即利用同一ADC同時實現極高的分辨率和超高速度是不可能的。例如，當今最快的ADC，采樣率可以達到1GHz到2GHz，但分辨率通常限制到8位。另一方面，能夠提供18位乃至24位分辨率的轉換器，其采樣率卻只能達到1MHz到2MHz，對于24位ADC甚至更低。

如今的ADC：在速度和分辨率之間進行折衷

在CTSD架構出現之前，系統工程師都有明確的一系列選擇。當采樣率超過幾MHz時，他們將選用流水線型ADC，此類ADC采用多級架構，各級連續、并行地進行一位到數位的采樣。在某個特定時鐘的每個周期的末尾，某指定級的輸出將傳遞到下一級，從而將新數據轉移到該級。通過將各級得到的數據位聯接到一起就得到最終的多位結果。

過去的幾年里，設計師推動了流水線架構的采樣速度和分辨率的提高。如今已經可以獲得采樣率從幾MSPS到100MSPS以上，分辨率從8位到16位的轉換器。根據研究機構Databeans公司的調查，在整個ADC市場上，流水線型ADC應用最廣泛，高達40％，其應用范圍從CCD成像、超聲波醫療成像系統到蜂窩基站，以及像HDTV這類的消費數字視頻應用。

另一方面，當應用需要更高分辨率、采樣率低于約10MSPS時，逐次逼近型(SAR)ADC通常是優選方案。此類器件采用了二進制搜索算法來使信號收斂。為了處理快速變化的信號，SAR ADC具有采樣一保持(SHA)功能，這樣在轉換期間可以保持輸入信號不變。

SAR轉換器能夠提供8到18位的分辨率，而采樣率可以高達10MSPS，廣泛用于要求低噪聲、低功耗和封裝緊湊的系統中。典型應用包括工業控制、多通道數據采集、便攜式／電池供電的儀器等。該架構能以中等速率高精度地處理數據，故在工業和醫療應用系統中發揮著關鍵的作用。

彌合性能差距

流水線型和SAR ADC在數據轉換器市場上繼續保持著重要地位，在未來的若干年中仍將如此。盡管它們各具不同特點，但這兩種廣泛應用的ADC架構都有性能上的不足。流水線型ADC架構能夠在更高的帶寬上提供出色性能，而SAR ADC則在低噪聲和低功耗方面更勝一籌，迄今為止還沒有哪一種ADC架構能夠實現這兩種性能的完美結合。然而在移動基礎設施、醫療、視頻、儀器和測試測量的新興應用中，要求ADC能同時實現這些性能。例如像MRI(核磁共振)系統這類的醫療應用，就要求極高的分辨率，以便獲得更精密的診斷結果。此外，在所有的應用中，低功耗特性也變得越來越重要。

CTSD ADC正在彌合這些性能差距。這種新技術采用了過采樣和噪聲整形的基本原理，還利用了一種創新的連續時間環路濾波架構來實現低噪聲和高帶寬。

這種新架構與傳統的流水線型和SAR器件在幾個方面都有很大不同：CTSD ADC采用連續時間積分器，而非離散時間積分器或電路；另外，CTSD ADC的采樣發生在位于量化器中的環路濾波器的輸出，而非ADC的輸入端；最后，與具有均勻分布的量化噪聲的流水線型和SAR架構不同，CTSD ADC中的環路濾波器將帶內的量化噪聲移至帶外。這些特性使得CTSD具有非常低的噪聲和高的帶寬，并且ADC輸入端的濾波要求更加寬松。

ADI公司正在采用這種新架構開發帶寬高達10MHz，動態范圍高達86dB，而噪聲系數僅為15dB的ADC器件。CTSD架構中固有的獨特性能，將使設計師可以大大減少、甚至完全不用再采用傳統信號鏈中通常所需的基帶濾波器、驅動放大器和自動增益控制。此外，通過在片上集成可編程帶寬抽取濾波器、采樣率轉換器和時鐘倍頻器，這種新型器件實現了更簡單的信號鏈，從而系統成本大大降低。所有這些優點使系統設計師可以利用CTSD ADC來構建一個新的信號鏈，為無線基礎設施、醫療成像、以及工業和儀器市場上一系列廣泛應用提供大量的性能優勢。

如今，從無線通信、工業到儀器和消費電子，各類終端應用中不斷升高的性能需求，為系統設計師如何選擇數據轉換器帶來了重大挑戰。顯然，基于流水線型和SAR架構的明確性能優勢使得它們將繼續在許多應用中得到選用。然而，能夠彌合上述兩種主要數據轉換架構性能差距的CTSD技術的出現，將為新一代的高性能和低成本終端解決方案打開一道大門。