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未來(lái)一年中，蜂窩通信、醫療成像、消費娛樂(lè )以及其它一些終端市場(chǎng)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(shí)間∑-Δ架構(CTSD)，該架構在不犧牲速度的條件下提供了優(yōu)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(yōu)點(diǎn)。例如，蜂窩基站可以捕獲較寬的頻譜，同時(shí)還能保持出色的分辨率，以便能夠在有超強信號時(shí)對其他微弱的信號進(jìn)行捕獲。這樣一來(lái)，將降低手機用戶(hù)在更廣的區域里的掉話(huà)率。 的確，數據轉換器在非常廣泛的電子系統中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，而且這個(gè)范圍還在不斷擴大。無(wú)論是醫療成像、工業(yè)還是消費電子領(lǐng)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(hù)的體驗。 過(guò)去，業(yè)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(huà)說(shuō)，這里面都隱含著(zhù)一個(gè)假定，即利用同一ADC同時(shí)實(shí)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1 GHz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(jìn)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(guò)幾MHz時(shí)，他們將選用流水線(xiàn)型ADC，此類(lèi)ADC采用多級架構，各級連續、并行地進(jìn)行一位到數位的采樣。在某個(gè)特定時(shí)鐘的每個(gè)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(guò)將各級得到的數據位聯(lián)接到一起就得到最終的多位結果。 過(guò)去的幾年里，設計師推動(dòng)了流水線(xiàn)架構的采樣速度和分辨率的提高。如今已經(jīng)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(gè)ADC市場(chǎng)上，流水線(xiàn)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(lèi)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(shí)，逐次逼近型(SAR)ADC通常是優(yōu)選方案。此類(lèi)器件采用了二進(jìn)制搜索算法來(lái)使信號收斂。為了處理快速變化的信號，SAR ADC具有采樣-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10 MSPS，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(yè)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(yè)和醫療應用系統中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵的作用。 彌合性能差距 流水線(xiàn)型和SAR ADC在數據轉換器市場(chǎng)上繼續保持著(zhù)重要地位，在未來(lái)的若干年中仍將如此。盡管它們各具不同特點(diǎn)，但這兩種廣泛應用的ADC架構都有性能上的不足。流水線(xiàn)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(méi)有哪一種ADC架構能夠實(shí)現這兩種性能的完美結合。然而在移動(dòng)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(shí)實(shí)現這些性能。例如像MRI(核磁共振)系統這類(lèi)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(lái)越重要。 CTSD ADC正在彌合這些性能差距。這種新技術(shù)采用了過(guò)采樣和噪聲整形的基本原理，還利用了一種創(chuàng )新的連續時(shí)間環(huán)路濾波架構來(lái)實(shí)現低噪聲和高帶寬。 這種新架構與傳統的流水線(xiàn)型和SAR器件在幾個(gè)方面都有很大不同：CTSD ADC采用連續時(shí)間積分器，而非離散時(shí)間積分器或電路;另外，CTSD ADC的采樣發(fā)生在位于量化器中的環(huán)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(xiàn)型和SAR架構不同，CTSD ADC中的環(huán)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(kāi)發(fā)帶寬高達10MHz，動(dòng)態(tài)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(dòng)放大器和自動(dòng)增益控制。此外，通過(guò)在片上集成可編程帶寬抽取濾波器、采樣率轉換器和時(shí)鐘倍頻器，這種新型器件實(shí)現了更簡(jiǎn)單的信號鏈，從而系統成本大大降低。所有這些優(yōu)點(diǎn)使系統設計師可以利用CTSD ADC來(lái)構建一個(gè)新的信號鏈，為無(wú)線(xiàn)基礎設施、醫療成像、以及工業(yè)和儀器市場(chǎng)上一系列廣泛應用提供大量的性能優(yōu)勢。 如今，從無(wú)線(xiàn)通信、工業(yè)到儀器和消費電子，各類(lèi)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件帶來(lái)了重大挑戰。顯然，基于流水線(xiàn)型和SAR架構的明確性能優(yōu)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(shù)的出現，將為新一代的高性能和低成本終端解決方案打開(kāi)一道大門(mén)。 |
