模擬工程師將數字設計帶入現實(shí)生活

Sue Martenson/Andrew MacLellan

“數字革命”通過(guò)改造我們與周?chē)澜绲年P(guān)系已經(jīng)改變了我們通信、工作和旅行的方式。數字化電子設備通過(guò)各種便攜式的、容易訪(fǎng)問(wèn)的交互式通信媒體構成的巨大網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)改造了我們的世界?？焖俣鴾蚀_地從我們的周?chē)h(huán)境收集圖象、語(yǔ)音和音頻數據并且在數字領(lǐng)域內管理和控制這些數據的能力已經(jīng)實(shí)現了任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的通信和提高性能的計算。數字化電子設備還產(chǎn)生了更可靠和更便宜的醫用電子設備。它為多樣性消費類(lèi)設備帶來(lái)了激動(dòng)人心的、交互式的多媒體內容?？偲饋?lái)說(shuō)，上述的進(jìn)步已經(jīng)將我們生活的世界置于我們完全數字化的控制和管理之中。

但是，數字技術(shù)可信賴(lài)的優(yōu)勢只有當它和模擬技術(shù)的能力一樣好時(shí)才能體現出來(lái)，模擬技術(shù)能夠忠實(shí)地將由 “1”和“0”表示的數字信號還原為人能夠聽(tīng)、看、感覺(jué)或感知的模擬信號。

如果沒(méi)有重大而同步的模擬技術(shù)創(chuàng )新，那么數字革命的效果可能黯然失色。我們用數字方式撲獲信息的領(lǐng)域越多，我們必須完成的數模轉換和還原的數據就越多——不論是實(shí)時(shí)的語(yǔ)音傳輸、音頻信號還是視頻圖象。當今蜂窩手機不斷減小外形尺寸并且不斷增加功能設置，高端汽車(chē)音響系統的聲音質(zhì)量以及廣播數字電視的高清晰度（HD）圖象不僅是智能電路設計、先進(jìn)制造工藝和高性能數字處理技術(shù)的產(chǎn)物，也是模擬設計不斷進(jìn)行革命的產(chǎn)物。

實(shí)際上，數以千計的終端市場(chǎng)和應用中大量的數字產(chǎn)品已經(jīng)引起了同樣的、而且往往是成比例增大的對高質(zhì)量模擬技術(shù)的需求。例如，高速數字處理器（DSP）能使數字音頻接收器能夠通過(guò)增加多個(gè)音頻通道來(lái)提高其性能。但是，每個(gè)新的通道都需要一個(gè)獨立的功率放大器以便按照人耳容易分辨和舒適的方式驅動(dòng)輸出信號。事實(shí)上，據DataBeans市場(chǎng)調查公司估計，為一個(gè)電子終端產(chǎn)品設計每增加一美元的數字集成電路（IC），同時(shí)就需要價(jià)值高達1.4美元的模擬IC。 

數字電子設備的迅速增長(cháng)實(shí)際上更加驅動(dòng)了對模擬IC的需求。在許多情況下，新的數字產(chǎn)品需要高集成度和高性能模擬IC達到新的水平，以便能夠轉換、調理和穩定信號以及控制和給鏈路供電，從而決定當今的高級系統功能。實(shí)際上，一些終端用戶(hù)在獲悉他們最喜愛(ài)的數字產(chǎn)品中的許多功能主要是由于模擬技術(shù)創(chuàng )新而不是數字電路時(shí)，可能會(huì )感到很驚訝。請考察下面的應用趨勢和模擬技術(shù)正在推動(dòng)和決定數字技術(shù)前景的發(fā)展路線(xiàn)：

•    數碼照相機：當數碼照相機在15年以前進(jìn)入消費類(lèi)市場(chǎng)時(shí)，它開(kāi)始著(zhù)手滿(mǎn)足并并且超過(guò)35 mm電影膠片的質(zhì)量。雖然DSP和微控制器（MCU）處理技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)以數字方式為快速地處理圖象提供了所需的帶寬，但是那些圖象的質(zhì)量依賴(lài)數碼照相機模擬前端（AFE）中的高性能數據轉換器的能力來(lái)降低噪聲并且增大動(dòng)態(tài)范圍。數據轉換技術(shù)的進(jìn)步還使得AFE解決了其它常見(jiàn)的性能問(wèn)題，例如降低功耗以延長(cháng)電池的工作壽命，提高轉換采樣速率以提高照相機快門(mén)的速度，還有提高圖象傳感器的感光靈敏度以降低高分辨率照相機對閃光的要求。這些功能已經(jīng)使得一個(gè)典型的數碼照相機中的模擬半導體IC成本從幾年前的不到2美元增加到如今的超過(guò)5美元。下一代的數碼照相機可能需要價(jià)值高達15美元的模擬IC。

另外，模擬技術(shù)創(chuàng )新不僅僅提高了數碼照相機的性能，它還有助于產(chǎn)生多種新的照相機設計。例如，模擬技術(shù)和基于微電子機械系統（MEMS）的傳感器相結合，為了避免拍照出模糊的照片，通過(guò)增加陀螺儀和數據轉換技術(shù)用于補償照相機的“顫動(dòng)”。

•    音頻處理：無(wú)論是處理家庭影院應用中的杜比5.1通道環(huán)繞立體聲，還是高端汽車(chē)系統中的12通道音頻，當今的音頻信號鏈日益數字化。但是，實(shí)際上，信號鏈僅僅是名義上“全數字”而已，因為大量的多通道音頻對模擬技術(shù)提出了新的性能要求。例如，多通道數字音頻結構中存在固有的數字信號處理難題，需要設計工程師采用多個(gè)高性能模擬功率放大器來(lái)驅動(dòng)揚聲器和能夠轉換模擬音頻信號的音頻編解碼器，才能夠不犧牲，或者說(shuō)“放棄”DSP的性能。
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另外在許多應用中，將多通道音頻引入到越來(lái)越小的系統中，這就需要能夠以高效率工作的低功耗和低成本的模擬IC。即使大批量的消費類(lèi)音頻系統也需要一流的音頻轉換器以便保證數字處理器達到最高性能所需的高性能和精度性。

•    蜂窩手機：隨著(zhù)蜂窩基礎設施從2 G和2.5 G到更高性能的2.75 G和3 G業(yè)務(wù)升級，推動(dòng)了新一代智能更高、功能更豐富的手機的發(fā)展。語(yǔ)音、視頻和數據的快速會(huì )聚允許設計工程師在下一代手機中增加這樣一些令人興奮的功能，例如MP3音樂(lè )和廣播電視。蜂窩手機市場(chǎng)已經(jīng)朝著(zhù)各種方向發(fā)展，因為制造商劃分其產(chǎn)品系列以便滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求和習慣。但是，這些“數字”蜂窩手機中的功能也正在推動(dòng)對新的模擬功能的需求。將高分辨率照相機集成到無(wú)線(xiàn)手機中的發(fā)展趨勢要求提高模擬圖象處理的性能、圖象穩定性、聚焦和伸縮控制——以及支持這些功能所必需的數據轉換器和放大器。新的帶有易讀的彩色顯示屏，用戶(hù)界面更友好的手機需要先進(jìn)的液晶顯示屏（LCD）背光功率器件。而且因為設計工程師將新的語(yǔ)音、視頻和數據功能集成到這些平臺中并且要管理多達20種不同的穩壓電壓，所以需要先進(jìn)的電源管理和電池充電IC來(lái)保證照相機的性能提高不會(huì )縮短電池的壽命。上述這些需求，再加上實(shí)現3 G手機中基本通信引擎所需的先進(jìn)的多頻帶、多模式射頻（RF）和模擬接口功能涉及到的挑戰，將使得無(wú)線(xiàn)手機中平均的模擬IC成本會(huì )在不久的將來(lái)從如今大約8美元上升到15美元以上。

•    醫學(xué)圖象處理：在衛生保健領(lǐng)域，大量數字資源的可用性和從固定的系統向便攜式設備的轉變正在推動(dòng)對各種新的高性能模擬IC的需求。例如，在醫學(xué)圖象處理應用中，高速的數字計算允許醫生觀(guān)察高分辨率的CT掃描圖象和超聲設備圖象以便更快更準確地評定重要器官或血管的狀況。但是要想巧妙地利用這些新的性能，設計工程師必須通過(guò)提高通道密度和改進(jìn)AFE性能來(lái)增強其產(chǎn)品的信號撲獲能力。

可變增益放大器（VGA）和模數轉換器（ADC）的最新進(jìn)展增大了動(dòng)態(tài)范圍并且提高了圖象質(zhì)量，同時(shí)正交（I/Q）解調器和移相器IC提高了多普勒超聲波系統的性能。另外，通過(guò)將多種功能和多通道集成到一顆單芯片中，這些高性能的模擬器IC有助于設計工程師構建出更小、更便攜的系統，因為顯著(zhù)減小了產(chǎn)品的外形尺寸和功耗?，F在分析家估計，二維（2-D）和三維（3-D）醫學(xué)圖象處理應用將為模擬IC提供15億美元的市場(chǎng)。

•    高級電視：在大街上隨便問(wèn)一個(gè)人，你都會(huì )聽(tīng)到：雖然過(guò)去的電視都是模擬的，但是未來(lái)的電視將是數字的。雖然高清晰度電視和影院品質(zhì)音響的出現是因為數字革命，但是新的模擬技術(shù)的采用和數字設計的創(chuàng )新一樣，也推動(dòng)了高級電視的發(fā)展。即使在數字廣播的時(shí)代，電視機仍然需要兩種接口——數字接口和模擬接口——以支持傳統的錄像機（VCR）、DVD播放器和便攜式攝像機。支持多種接口標準——從標準的模擬接口到新興的高清晰度多媒體接口（HDMI）——的高集成度的接口IC將被用于滿(mǎn)足從模擬或數字輸入到先進(jìn)的平面顯示器連接的需求。高性能音頻處理器將有助于工程師將模擬聲音處理的任務(wù)轉移到數字領(lǐng)域中。而且新的高集成度的后處理IC可以通過(guò)提高補償薄型平面電視的設計局限而提高音頻質(zhì)量。從上述對高性能模擬IC不斷增強的依賴(lài)性可以看出，如今一臺普通數字電視中采用的模擬IC成本大約為20美元，在今后幾年內將增加到每臺大約60美元。

ADI公司認識到，控制和管理現實(shí)世界中各種現象（例如光、聲音、運動(dòng)、壓力和溫度）所需要的數據轉換技術(shù)和前端信號處理技術(shù)對于創(chuàng )造一種有價(jià)值的終端用戶(hù)體驗來(lái)說(shuō)是非常重要的因素。

這是ADI公司從四十多年的設計和開(kāi)發(fā)模擬信號、數字信號和混合信號技術(shù)以及培養深入了解我們客戶(hù)應用需求的過(guò)程中而得到的經(jīng)驗。ADI公司為各種應用提供一流的性能——并且將其轉化為最佳的用戶(hù)體驗。ADI公司的創(chuàng )新通過(guò)提高集成度、減小封裝尺寸、降低功耗，還降低了系統成本。這是滿(mǎn)足能使數字設計如此流行的大眾市場(chǎng)成本結構的關(guān)鍵。

這條成熟的經(jīng)驗——不斷擴展產(chǎn)品種類(lèi)和開(kāi)發(fā)支持工具使ADI公司的工程師提高最關(guān)鍵之處的性能。ADI公司通過(guò)保證為客戶(hù)的應用提供最合適的IC，能夠使工程師將其數字設計的全部潛能帶到現實(shí)生活中。