數據轉換器的衡量標準：演進(jìn)歷程

數據轉換器有意義的衡量方法是什么？就數據轉換器自身而言，它是相當容易定義的。數據轉換器是通過(guò)模數轉換器(ADC)將連續的電信號（即模擬信號）轉換為數碼字〔以比特（bit）為單位〕或反過(guò)來(lái)，通過(guò)數模轉換器(DAC)將數碼字轉換為連續的模擬信號。這樣的轉換過(guò)程是我們周?chē)恼鎸?shí)世界和我們用以監測、分析、控制的計算機世界之間的至關(guān)重要的連接。其中最困難和有發(fā)展意義的問(wèn)題是如何為這些數據轉換器定義重要的性能指標。

設計工程師往往喜歡事情簡(jiǎn)單，所以數據轉換器的性能衡量標準歷史上曾經(jīng)簡(jiǎn)化為分辨率位數（N）和采樣速率（Fs）。一般來(lái)說(shuō)，分辨率高好，如果采樣速率也高就更好。盡管這種衡量方法很簡(jiǎn)單，但是在初期它還是準確的，因為它符合當時(shí)計算機數據總線(xiàn)的要求。幾年過(guò)后，我們看到數據總線(xiàn)從16 bit發(fā)展到32 bit再到64 bit，同時(shí)處理器速度從MHz范圍提高到GHz范圍。長(cháng)期以來(lái)，數據轉換器只是適應與數字技術(shù)不斷增加的數據處理能力相匹配。

然而，對于數字信號處理器和數據轉換世界來(lái)說(shuō)，采用簡(jiǎn)單的分辨率和采樣速率的衡量方法正在發(fā)生變化。許多應用對數據處理能力的需求推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的趨勢不再像以往那樣快速增長(cháng)了。因此，創(chuàng )新的焦點(diǎn)已經(jīng)擴大到包括效率、尺寸和成本在內的多種因素。雖然分辨率和采樣速率仍然是性能的關(guān)鍵因素，但是當今的應用需要對數據轉換器的性能指標有更深的理解以實(shí)現成功的電子設計。

通過(guò)類(lèi)比方式我們可以理解上述情況。請想象有一家這樣的汽車(chē)制造商，它制造出了市場(chǎng)上最快的跑車(chē)，并宣稱(chēng)成為汽車(chē)行業(yè)的領(lǐng)先者。這樣的宣稱(chēng)對于賽車(chē)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)可能是對的，但是對絕大多數公眾來(lái)說(shuō)沒(méi)什么意義。這對于關(guān)注燃油價(jià)格上漲和期待提高效率的客戶(hù)會(huì )怎樣呢？這對于需要足夠空間以承載5位家人和他們的狗的家庭會(huì )怎樣呢？這對于需要運載相當沉重貨物的工人會(huì )怎樣呢？雖然Humvee®高機動(dòng)性多用途輪式車(chē)輛具有有用的功能，但是在我們的高速公路和城市街道上它可能沒(méi)用。

在商業(yè)界，不論是汽車(chē)還是數據轉換器，都必須根據客戶(hù)的需求來(lái)定義創(chuàng )新。成功來(lái)自于開(kāi)發(fā)出解決客戶(hù)當前問(wèn)題的最好產(chǎn)品，能夠提供全新的應用并且永遠保持其重要作用。雖然這種開(kāi)闊的工程視角增加了衡量某種產(chǎn)品性能指標的復雜性，但是它使衡量成功的標準簡(jiǎn)單了：增加市場(chǎng)份額。

總結數據轉換市場(chǎng)的需求可化分為三方面，其中每一方面都需要創(chuàng )新和繼續發(fā)展的承諾。這三方面是性能指標、成本和選擇寬度。

性能創(chuàng )新
高性能是數據轉換領(lǐng)域經(jīng)常反復提到的術(shù)語(yǔ)。數據轉換器的電性能有4項關(guān)鍵指標：采樣速率、直流（DC）（或靜態(tài)）精度、交流（AC）（或動(dòng)態(tài)）精度和功耗。這些指標相對的重要性依賴(lài)于具體應用，而大多數應用都對所有這些特性具有一定的靈敏度。

采樣速率（Fs）也被稱(chēng)作轉換速率、編碼速率或者刷新速率。它是數據轉換器將一個(gè)數碼字鏈接到模擬信號的速度的一種度量，它以每秒采樣次數（SPS）為單位表示。奈奎斯特準則表明對于一個(gè)系統進(jìn)行采樣的速率必須至少為有用信號帶寬（BW）的兩倍；所以采樣速率越高就能提供越寬的可用信號帶寬。例如，要捕獲或產(chǎn)生一個(gè)50 MHz的信號需要一個(gè)采樣速率為100 MSPS或更高的數據轉換器。顯然，采樣速率越高，困難也就越大，因為其電路必須在更短的時(shí)間內完成轉換操作。

DC精度經(jīng)常以分辨率的bit數或位數（N）表示，而模擬信號的滿(mǎn)度范圍（FS）由下式給出：
FS=數字轉換的步數=2N－1 （1）

所以一個(gè)10bit的數據轉換器將有1023個(gè)有效數碼字，并且每個(gè)數碼字的最低有效位（LSB）的權重為1/1023。我們必須特別注意“分辨率”與“DC精度”是不同的概念。轉換器的精度是數碼字與對應轉換步數的模擬信號之間的一致性程度的一種度量，規定用微分線(xiàn)性誤差（DNL）和積分線(xiàn)性誤差（INL）來(lái)表征。其中DNL是每一步轉換的實(shí)際值與理想值之間的偏差程度的一種度量，INL是完成全部轉換的每一步轉換誤差的積分。這兩項指標通常都以L(fǎng)SB的份數的形式來(lái)表示。

分辨率和精度之間的差異的意義是很重要的。例如，當兩個(gè)轉換器都具有12bit的相同分辨率時(shí)，但是其中一個(gè)轉換器可能只有10bit的精度（2LSB的DNL或INL誤差），而另一個(gè)轉換器可能具有14bit的精度（0.125 LSB的DNL或INL）。因此，應當認識到這兩種轉換器具有不一樣的性能。還需要弄清楚的是，即使增加分辨率bit數而達不到這些增加的bit數所提高的精度，也不能達到提高精度的目的。

數字示波器提供了一個(gè)很好例子，這個(gè)問(wèn)題是由于分辨率和精度概念混淆而產(chǎn)生的。大多數示波器都使用8bit ADC來(lái)采樣有用信號。8bit分辨率很適合這種應用，而這些系統的設計工程師希望ADC有9 bit（0.25 LSB）的精度。這是因為肉眼可分辨7～8bit的精度，所以如果使用低于真正8bit精度的8bit ADC，那么使用該示波器的用戶(hù)可從顯示屏上觀(guān)測這些誤差。

AC精度可用信噪比（SNR）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）兩項性能指標來(lái)表示。因為相對模擬信號的頻率來(lái)度量這兩項性能指標，因此它們代表了動(dòng)態(tài)性能。SNR是轉換器的噪聲功率對有用信號影響程度的一種度量。它告訴用戶(hù)在不使用平均處理方法的條件下能立即檢測（ADC）或產(chǎn)生（DAC）小信號的程度。這項性能指標的最大值受待測轉換器的分辨率（N）限制，并且以dB為單位由下式表示：

SNR=6.02×N+1.8 （2 ）

SFDR是使用大量采樣和平均處理方法對可檢測到小信號程度的一種度量。SFDR受待測轉換器的DC精度限制，并且提供對隨信號頻率的增加保持精度程度的一種度量。所以在上述的12 bit ADC例子中，雖然每個(gè)ADC有同樣的SNR指標，但是它們的SFDR性能有很大差別。

當討論數據轉換器精度時(shí)，一個(gè)跟蹤和比較的有趣性能指標是有效位數（ENOB）。在低輸入頻率時(shí)ENOB可用來(lái)反映DC精度，而在高輸入頻率時(shí)它可用來(lái)反映AC精度與頻率的關(guān)系。ENOB與SNR的表達式相似，表達如下：

SNDR=6.02×ENOB+1.8 （3）

SNDR(信納比)代表信號（S）與噪聲(N)加失真（D）的比率，即S/(N+D)。通過(guò)測量轉換器有多少噪聲和失真加到用信號中，等效ENOB可提供對轉換器精度的一種平均度量方法。

蜂窩基站是一個(gè)重視數據轉換器AC精度的很好的應用實(shí)例。這些基站需要按照非常嚴格的技術(shù)標準接收信號和發(fā)送信號。動(dòng)態(tài)范圍小的ADC不能檢測出淹沒(méi)在強烈干擾中的微弱信號。失真性能差的DAC會(huì )在工作頻譜中的其它信道內產(chǎn)生雜散信號，因而不能滿(mǎn)足通信行業(yè)的要求。

定義實(shí)際應用中數據轉換器性能的最后一項重要參數是功耗。功率不常在性能參數中被引用，但是如果功率不達標，許多上述的性能指標都很容易受到強制性破壞。不幸的是，我們越來(lái)越趨于生活在一個(gè)便攜式電子設備的時(shí)代。當談到數碼相機與攝像機、蜂窩電話(huà)以及個(gè)人音頻和視頻播放器時(shí)電池工作壽命是用戶(hù)需要的一項關(guān)鍵參數。功率也是與電池工作壽命無(wú)關(guān)的許多系統中的關(guān)鍵參數。對于可能有大電源供電的系統，其大的功率消耗會(huì )產(chǎn)生散熱管理問(wèn)題，從而可能會(huì )影響其結構設計及其材料成本。因此ADC和DAC的功耗性能指標成為選擇數據轉換器日益重要的參數。

大多數行業(yè)都制定品質(zhì)因數（FOM）來(lái)跟蹤其關(guān)注領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平，數據轉換器也不例外。在數據轉換器中，一種很重要的FOM表達如下：

FOM=SNDR+10Log(BW/Power) （4）

其中BW表示帶寬，Power表示功率。

雖然有幾種FOM定義，它們以稍微不同的方式表達這些度量，但是本文的目的不是討論其細微差異或者做出其優(yōu)選評論。上述引用的FOM包含了給定器件的速度、精度（包括DC精度和AC精度）和功耗指標，以給出一個(gè)總平價(jià)。這個(gè)信息表明，從根本上說(shuō)設計過(guò)程是一個(gè)折衷的過(guò)程。為了優(yōu)化一項性能指標而犧牲其它的指標可能會(huì )滿(mǎn)足某些用戶(hù)的極限需求，但是它不再可能提高該轉換器的總性能指標。

成本創(chuàng )新
對于為某項應用確定一個(gè)轉換器的設計工程師，應當首要關(guān)注的是轉換器的性能，其次是轉換器的成本。當然，轉換器的成本是很實(shí)在的，并且很容易對轉換器之間和廠(chǎng)家之間的價(jià)格進(jìn)行比較，但是成本創(chuàng )新的問(wèn)題絕非僅僅是降低IC的價(jià)格問(wèn)題。

成本創(chuàng )新包括生產(chǎn)廠(chǎng)家的總成本。它考慮了使用給定轉換器的設計難度。該器件的技術(shù)資料完整嗎？真的提供適合該器件的設計工具嗎？該器件供應商提供應用支持，提供對該器件基本知識支持和提供對其深入應用支持嗎？一個(gè)沒(méi)有設計支持的低成本器件可能并不如它看上去那樣劃算。

成本創(chuàng )新的考慮還必須包括產(chǎn)品及其替代器件的最終成本。該器件的魯棒性好嗎？該器件經(jīng)過(guò)合格測試并且測試的是保證符合最低性能的主要指標嗎？最后，該器件有開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品的發(fā)展路線(xiàn)圖嗎？也就是，能提供該轉換器的滿(mǎn)足客戶(hù)未來(lái)產(chǎn)品需求的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線(xiàn)嗎？

許多促進(jìn)轉換器消費的應用不是由轉換器的先進(jìn)性能水平來(lái)推動(dòng)的。一般的電子產(chǎn)品都快速地從可行性生產(chǎn)發(fā)展到大批量生成再發(fā)展到下一代產(chǎn)品。每一代產(chǎn)品都期望欲降低（降低功耗，減小尺寸，節省成本）而提高（增加功能，提高性能）。滿(mǎn)足消費者需求的關(guān)鍵是圍繞轉換器集成專(zhuān)用的系統功能。

當今，選擇何種集成功能的缺省條件不是系統芯片（SOC）。由于數據轉換器成為檢測世界和計算機世界之間的橋梁，所以它被處于系統結構選擇之間。性能和成本之間的折衷選擇經(jīng)常被稱(chēng)作靈巧分割。傳感器和放大器的制造工藝通常與適合數字技術(shù)極精細的CMOS工藝不兼容。在設計制造工藝中將轉換器放在何處的明智選擇可根據應用甚至解決方案而定。

系統結構及其劃分會(huì )影響系統成本和具體單元電路的成本。問(wèn)題在于如何以最低的系統成本和功耗滿(mǎn)足系統性能的要求。數據轉換器功能供應商需要與客戶(hù)密切合作以在系統水平上最大程度地利用他們的技術(shù)。這是一種建立在系統水平上持續降低成本的長(cháng)期策略的有效方法。

種類(lèi)寬度
正如前面所說(shuō)，沒(méi)有一種能滿(mǎn)足所有駕駛員需要的汽車(chē)，同樣也沒(méi)有一款能滿(mǎn)足所有應用需要的轉換器。這條準則比要求提供具有包括多種采樣頻率的所有分辨率的轉換器要好。這個(gè)問(wèn)題涉及到如何將上述各種性能參數與根據應用或客戶(hù)要求提出的功能和集成度結合起來(lái)。

過(guò)去兩年業(yè)界大的推動(dòng)之一是減少與制造商合作的供應商的數量。制造商的目標是工作效率和控制能力。由于與少數的供應商合作，所以制造商可與保留的那些供應商發(fā)展更深層的業(yè)務(wù)關(guān)系。這允許制造商更易建立和跟蹤與產(chǎn)品交付、存貨管理、質(zhì)量、報價(jià)以及產(chǎn)品定義和發(fā)展路線(xiàn)圖有關(guān)的衡量標準。通過(guò)將更多的業(yè)務(wù)帶給單獨的供應商，制造商有更大的控制能力按照對他們有利的方式來(lái)控制和影響這些衡量標準。

因此很顯然，為了滿(mǎn)足這些對數據轉換器的需求，供應商必須擁有多種產(chǎn)品：ADC，DAC以及集成帶有多種功能的轉換器。這些轉換器需要甚至在某一特定應用中包含不同的功能。這些多種功能的變化包括可從通過(guò)一個(gè)低速核心轉換器多路復用低速多通道轉換器，到同時(shí)通過(guò)多個(gè)并行轉換器的多通道轉換器，又變化到建立系統基線(xiàn)性能的信號鏈中的高性能轉換器。為了滿(mǎn)足這些多種需求，數據轉換器供應商需要能夠利用多種轉換器體系結構。當今的轉換器市場(chǎng)包括閃爍（全并行）、 逐次逼近（SAR）、分級、流水線(xiàn)性 、ΣΔ, R-2R, 分段電阻串等等，以及這些結構的組合結構。每種結構都具有適合具體應用問(wèn)題的開(kāi)發(fā)和匹配的優(yōu)勢。

結論
設計過(guò)程從根本上說(shuō)是折衷的過(guò)程。為了突出轉換器的某一項指標而犧牲所有其它指標的做法在實(shí)際應用中是不可取的。同樣，似乎基于“指標造假”的產(chǎn)品（例如：生產(chǎn)一種只能提供12bit噪聲或線(xiàn)性度性能的16bit轉換器）可能沒(méi)有真正的實(shí)用性。設計工程師必須關(guān)注那些下一次聽(tīng)到的高性能并聲稱(chēng)業(yè)界領(lǐng)先的轉換器的細節。新聞報道可能是炫耀的，但是炫耀必定不能真正應用或解決用戶(hù)的問(wèn)題。