高速轉換器簡(jiǎn)介和工作原理

作為“現實(shí)世界”模擬域與1和0構成的數字世界之間的關(guān)口，數據轉換器已成為現代信號處理中的關(guān)鍵要素之一。 過(guò)去30年，數據轉換領(lǐng)域涌現出了大量創(chuàng )新技術(shù)，這些技術(shù)不但助推了從醫療成像到蜂窩通信、再到消費音視頻，各個(gè)領(lǐng)域的性能提升和架構進(jìn)步，同時(shí)還為實(shí)現全新應用發(fā)揮了重要作用。

寬帶通信和高性能成像應用的持續擴張凸顯出高速數據轉換的特殊重要性——轉換器要能處理帶寬范圍在10 MHz至1 GHz以上的信號。 人們通過(guò)多種各樣的轉換器架構來(lái)實(shí)現這些較高的速率，各有其優(yōu)勢。 高速下在模擬域和數字域之間來(lái)回切換也對信號完整性提出了一些特殊的挑戰——不僅模擬信號如此，時(shí)鐘和數據信號亦是如此。 了解這些問(wèn)題不僅對于器件選擇十分重要，而且甚至會(huì )影響整體系統架構的選擇。

越來(lái)越快

在許多技術(shù)領(lǐng)域，我們習慣于把技術(shù)進(jìn)步與更高的速率關(guān)聯(lián)起來(lái)。 從以太網(wǎng)到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)再到蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，數據通信的實(shí)質(zhì)就是不斷提高數據傳輸速率。 通過(guò)時(shí)鐘速率的進(jìn)步，微處理器、數字信號處理器和FPGA發(fā)展十分迅速，這主要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，結果造就出開(kāi)關(guān)速率更快、體積更小、功耗更低的晶體管。

這些進(jìn)步創(chuàng )造出一個(gè)處理能力和數據帶寬呈指數級增長(cháng)的環(huán)境。 這些強大的數字引擎帶來(lái)了同樣呈指數級增長(cháng)的信號和數據處理需求，從靜態(tài)圖像到視頻，到寬帶頻譜，無(wú)論是有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)，均是如此。 100 MHz的處理器或許能有效地處理帶寬為1 MHz至10 MHz的信號，而運行時(shí)鐘速率達數GHz的處理器則能夠處理帶寬達數百MHz的信號。

自然地，更強大的處理能力、更高的處理速率會(huì )帶來(lái)更快的數據轉換。 寬帶信號擴大其帶寬(往往達到物理或監管機構設定的頻譜極限)，成像系統尋求提高每秒像素處理能力，以便更加快速地處理更高分辨率的圖像。 系統設計推陳出新，以利用極高的這種處理性能，其中還出現了并行處理的趨勢，這可能意味著(zhù)對多通道數據轉換器的需求。

架構上的另一重要變化是走向“多載波/多通道”，甚至“軟件定義”系統的趨勢。 傳統的“模擬密集型”系統在模擬域中完成許多信號調理工作(濾波、放大、頻率轉換);在經(jīng)過(guò)充分準備后，對信號進(jìn)行“數字化處理”。

一個(gè)例子是FM廣播。 給定電臺的通道寬度通常為200 kHz，FM頻段范圍為88 MHz至108 MHz。 傳統接收器把目標電臺的頻率轉換成10.7 MHz的中頻，過(guò)濾掉所有其他通道，并把信號放大到最佳解調幅度。 多載波架構將整個(gè)20 MHz FM頻段數字化，并利用數字處理技術(shù)來(lái)選擇和恢復目標電臺。

1.盡管電路往往較為復雜，但是多個(gè)載波具有多種優(yōu)勢，例如多個(gè)電臺的同步恢復。

雖然多載波方案需要采用復雜得多的電路，但它具有極大的系統優(yōu)勢(圖1)。 例如，系統可以同時(shí)恢復多個(gè)電臺，包括“邊頻”電臺。 如果設計得當，多載波系統甚至可以通過(guò)軟件重新配置，以支持新的標準(例如，分配在無(wú)線(xiàn)電邊帶上的新型“高清”電臺)。

這種方式的最終目標是采用可以接納所有頻帶的寬帶數字化儀和可以恢復任何信號的強大處理器。 這即是所謂的“軟件定義無(wú)線(xiàn)電”。 其他領(lǐng)域中有等效的架構——“軟件定義儀表”、“軟件定義攝像頭”等。我們可以把這些當作“虛擬化”的信號處理等效物。 使得諸如此類(lèi)靈活架構成為可能的是強大的數字處理技術(shù)以及高速、高性能數據轉換技術(shù)。

帶寬和動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)論是模擬還是數字信號處理，其基本維度都是帶寬和動(dòng)態(tài)范圍(圖2)。 這兩個(gè)因素決定著(zhù)系統實(shí)際可以處理的信息量。 在通信領(lǐng)域，克勞德·香農的理論就使用這兩個(gè)維度來(lái)描述一個(gè)通信通道可以攜帶的信息量的基本理論限值。

2.帶寬和動(dòng)態(tài)范圍代表信號處理的基本維度。

但其原理卻適用于多個(gè)領(lǐng)域。 對于成像系統，帶寬決定著(zhù)給定時(shí)間可以處理的像素量，動(dòng)態(tài)范圍決定著(zhù)“最暗的”可覺(jué)察光源與像素“飽和”點(diǎn)之間的強度或色彩范圍。

數據轉換器的可用帶寬有一個(gè)由奈奎斯特采樣理論設定的基本理論限值——為了表示或處理帶寬為F的信號，我們需要使用運行采樣速率至少為2F的數據轉換器(請注意，本法則適用于任何采樣數據系統——模擬或數字都適用)。 對于實(shí)際系統，一定程度的過(guò)采樣可極大地簡(jiǎn)化系統設計，因此，更典型的數值是信號帶寬的2.5至3倍。

如前所述，不斷增加的處理能力可提高系統處理更高帶寬的能力，而蜂窩電話(huà)、電纜系統、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、圖像處理以及儀器儀表等系統都在朝著(zhù)“帶寬”更高的系統發(fā)展。 相應地，不斷提高的帶寬需求要求數據轉換器具備更高的采樣速率。

如果說(shuō)帶寬這個(gè)維度直觀(guān)易懂，那么動(dòng)態(tài)范圍這個(gè)維度則可能稍顯晦澀。 在信號處理中，動(dòng)態(tài)范圍表示系統可以處理且不發(fā)生飽和或削波的最大信號與系統可以有效捕獲的最小信號之間的分布范圍。

我們可以考慮兩類(lèi)動(dòng)態(tài)范圍。 首先，“浮點(diǎn)”動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)在低分辨率模數轉換器(ADC)之前放置一個(gè)可編程增益放大器(PGA)來(lái)實(shí)現;例如，對于12位的浮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍，應在一個(gè)8位轉換器前放置一個(gè)4位PGA。 當增益設為低值時(shí)，這種配置可以捕獲大信號而不會(huì )超過(guò)轉換器的范圍。 當信號極小時(shí)，可將PGA設為高增益，以將信號放大到轉換器的“噪底”以上。 信號可能是一個(gè)信號強或信號弱的電臺，也可能是成像系統中的一個(gè)明亮或暗淡的像素。 對于一次只嘗試恢復一個(gè)信號的傳統信號處理架構來(lái)說(shuō)，這種浮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì )非常有效。

其次，“瞬時(shí)”動(dòng)態(tài)范圍更加強大。 在這種配置中，系統擁有充足的動(dòng)態(tài)范圍，能夠捕獲大信號而不產(chǎn)生削波現象，同時(shí)還能恢復小信號。 這種情況下，可能需要一個(gè)14位的轉換器。

該原理適用于多種應用——恢復強電臺或弱電臺信號，恢復手機信號，或者恢復圖像的超亮和超暗部分。 在系統傾向使用更加復雜的信號處理算法的同時(shí)，對動(dòng)態(tài)范圍的需求也是水漲船高。 這使得系統可以處理更多信號。 如果全部信號都具有相同的強度，并且需要處理兩倍的信號，則需要增加3 dB的動(dòng)態(tài)范圍(在所有其他條件相等的情況下)。 可能更重要的是，如前所述，如果系統需要同時(shí)處理強信號和弱信號，則動(dòng)態(tài)范圍的增量要求可能要大得多。

動(dòng)態(tài)范圍的不同衡量指標

在數字信號處理中，動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵參數是信號表示中的位數，或稱(chēng)字長(cháng)。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)32位處理器的動(dòng)態(tài)范圍多于一個(gè)16位的處理器。 過(guò)大的信號將發(fā)生“削波”——這是一種高度非線(xiàn)性的運算，會(huì )破壞多數信號的完整性。 過(guò)小的信號(幅度小于1 LSB)將變得不可檢測并丟失掉。 這種“有限分辨率”通常稱(chēng)為量化誤差，或量化噪聲，在確立可檢測性“下限”時(shí)可能是一個(gè)重要因素。

量化噪聲也是混合信號系統中的一個(gè)因素。 不過(guò)，數據轉換器的可用動(dòng)態(tài)范圍由多個(gè)因素共同決定，而且每個(gè)因素都自己的規格：

• 信噪比(SNR)： 轉換器的滿(mǎn)量程與頻帶總噪聲之比。 該噪聲可能來(lái)自量化噪聲(如上所述)、熱噪聲(所有現實(shí)系統中都存在)或其他誤差項(如抖動(dòng))。

• 靜態(tài)非線(xiàn)性度： 差分非線(xiàn)性度(DNL)和積分非線(xiàn)性度(INL)是衡量從數據轉換器輸入端到輸出端的直流傳遞函數的非理想程度的指標(DNL通常確定成像系統的動(dòng)態(tài)范圍)。

• 總諧波失真： 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性度會(huì )產(chǎn)生諧音，可有效地屏蔽其他信號。 THD通常會(huì )限制音頻系統的有效動(dòng)態(tài)范圍。

• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)： 考慮相對于輸入信號的最高頻譜“雜散”，無(wú)論是二階還是三階諧波、時(shí)鐘饋通，甚至是60 Hz的“嗡嗡”噪聲。 由于頻譜音或雜散可屏蔽小信號，因此，SFDR是用來(lái)表示許多通信系統中可用動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)良好指標。

還有其他規格可用。 實(shí)際上，每種應用都可具有自身的有效動(dòng)態(tài)范圍描述。 開(kāi)始時(shí)，數據轉換器的分辨率是其動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)良好“替代指標”，但在真正決定時(shí)選擇正確的技術(shù)規格是非常重要的。 關(guān)鍵原則是，越多越好。雖然許多系統可以立即意識到需要更高的信號處理帶寬，但對動(dòng)態(tài)范圍的需求卻可能不是如此直觀(guān)，即便要求更加苛刻。

值得注意的是，盡管帶寬和動(dòng)態(tài)范圍是信號處理的兩個(gè)主要維度，但還有必要考慮第三個(gè)維度，即“效率”。 這有助于我們回答這樣一個(gè)問(wèn)題：“為了實(shí)現額外性能，我需要付出多少成本?”我們可以從購置價(jià)格來(lái)看成本，但對數據轉換器和其他電子信號處理應用來(lái)說(shuō)，一種更加純粹的、衡量成本的技術(shù)手段是功耗。 性能越高的系統——更大的帶寬或動(dòng)態(tài)范圍——往往要消耗更多的電能。 技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)著(zhù)人們提高帶寬和動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)減少功耗。

主要應用

如前所述，每種應用在這些“基本信號維度”方面都有著(zhù)不同的要求，而在給定的應用中，則可能有多種不同的性能。 例如，一個(gè)100萬(wàn)像素的攝像頭和1000萬(wàn)像素的攝像頭。 圖3展示了不同應用通常要求的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。 該圖的上半部分一般稱(chēng)為“高速”，意味著(zhù)采樣速率為25 MHz及以上的轉換器，可以有效處理10 MHz或以上的帶寬。

3.所示為一些典型應用對帶寬(速度)和動(dòng)態(tài)范圍(分辨率位數)的要求。

需要注意的是，該“應用圖”并非靜止不變——現有應用可能利用新的、性能更高的技術(shù)來(lái)提升其功能，例如，高清攝像機或者分辨率更高的“3D”超聲設備等。 每年還會(huì )涌現出全新的應用，很大一部分處于性能邊界的“外邊緣處”，這得益于高速與高分辨率的新組合。 結果使轉換器性能“邊緣不斷擴大”，就像池塘里的漣漪一樣。

另一個(gè)重點(diǎn)是大多數應用具有功耗問(wèn)題。 對于便攜式/電池供電型應用，功耗可能是主要技術(shù)限制條件，但是，即使是線(xiàn)路供電系統，我們也開(kāi)始發(fā)現，信號處理元件(模擬也好，數字也好)的功耗最終會(huì )限制系統在給定物理區域的性能。

技術(shù)發(fā)展趨勢和創(chuàng )新——如何實(shí)現

鑒于這些應用在不斷推高對高速數據轉換器性能的要求，業(yè)界以持續技術(shù)進(jìn)步的方式對此做出了回應。 技術(shù)對高級高速數據轉換器的“推動(dòng)”來(lái)自以下幾個(gè)因素：

• 工藝技術(shù)： 摩爾定律與數據轉換器——半導體工業(yè)在持續推動(dòng)數字處理性能方面的成就有目共睹，其主要驅動(dòng)因素是晶圓處理工藝在走向更細間距微影蝕刻工藝方面取得的巨大進(jìn)步。 深亞微米CMOS晶體管的開(kāi)關(guān)速率遠遠超過(guò)其前輩，使控制器、數字處理器和FPGA的運行時(shí)鐘速率邁上了數GHz的臺階。

像數據轉換器一樣的混合信號電路也可以利用蝕刻工藝領(lǐng)域取得的這些進(jìn)步，借“摩爾定律”之風(fēng)達到更高的速率。 但對混合信號電路來(lái)說(shuō)，這是有代價(jià)的：蝕刻工藝越先進(jìn)，其工作電源電壓往往會(huì )越低。 這導致模擬電路的信號擺幅在縮小，增加了將模擬信號維持在熱噪底以上的困難——以縮水的動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià)獲得更高的速率。

• 高級架構(這不是祖母時(shí)代的數據轉換器)： 在半導體工藝大步發(fā)展的同時(shí)，過(guò)去20年中，高速數據轉換器架構領(lǐng)域也出現了數波創(chuàng )新浪潮，為以驚人的功效實(shí)現更高的帶寬、更大的動(dòng)態(tài)范圍做出了巨大貢獻。 傳統上，有多種架構方式用于高速ADC，包括全并行架構、折疊架構、交織架構和流水線(xiàn)架構，這些架構方式至今仍然非常流行。 后來(lái)，傳統上用于低速應用的架構也加入高速應用陣營(yíng)，包括逐次逼近寄存器(SAR)和Δ-Σ，這些架構專(zhuān)門(mén)針對高速應用進(jìn)行了的改動(dòng)。

每種架構都有自己的優(yōu)勢和劣勢。 某些應用一般根據這些折衷來(lái)確定“最佳”架構。 對于高速模數轉換器(DAC)來(lái)說(shuō)，首選架構一般是開(kāi)關(guān)電流模式結構。 不過(guò)，這類(lèi)結構有許多變體。 開(kāi)關(guān)電容結構的速率穩步提高，在一些嵌入式高速應用中仍然十分流行。

•“數字輔助”方法： 多年以來(lái)，在工藝和架構以外，高速數據轉換器電路技術(shù)也取得了輝煌的創(chuàng )新成就。 校準方法已有數十年的歷史，在補償集成電路元件失配以及提高電路動(dòng)態(tài)范圍方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。 校準已經(jīng)超越靜態(tài)誤差校正的范疇，越來(lái)越多地用于補償動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性度，包括建立誤差和諧波失真。

總之，這些領(lǐng)域的創(chuàng )新極大地促進(jìn)了高速數據轉換的發(fā)展。

實(shí)現

實(shí)現寬帶混合信號系統不僅僅要選擇正確的數據轉換器——這些系統可能對信號鏈的其他部分有著(zhù)嚴苛的要求。 同樣，挑戰是在較寬的帶寬范圍內實(shí)現優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)范圍——使更多的信號進(jìn)出數字域，充分利用數字域的處理能力。

• 寬帶信號調理： 在傳統“單載波”系統中，信號調理就是盡快消除無(wú)用信號，然后放大目標信號。 這往往涉及選擇性濾波以及針對目標信號“微調”的窄帶系統。 這些經(jīng)過(guò)微調的電路在實(shí)現增益方面可能非常有效，而且在某些情況下，頻率規劃技術(shù)有助于確保將諧波或其他雜散排除在“帶外”。 寬帶系統不能使用這些窄帶技術(shù)，而且在這些系統中實(shí)現寬帶放大可能面臨巨大的挑戰。

• 數據接口： 傳統的CMOS接口不支持大大超過(guò)100 MHz的數據速率——而且低電壓差分擺幅(LVDS)數據接口運行速率達800 MHz至1 GHz。 對于較大數據速率，我們可以使用多個(gè)總線(xiàn)接口，或者使用SERDES接口。 現代的數據轉換器采用的是最高速率達12.5 GSPS的SERDES接口(規格見(jiàn)JESD204B標準)——可以用多條數據通道來(lái)支持轉換器接口中分辨率和速率的不同組合。 這些接口本身常常十分復雜。

4.時(shí)鐘抖動(dòng)/誤差變成信號噪聲或誤差。

• 時(shí)鐘接口： 就系統中所用時(shí)鐘的質(zhì)量來(lái)說(shuō)，高速信號的處理也可能十分困難。 時(shí)域中的抖動(dòng)/誤差會(huì )轉換成信號中的“噪聲”或誤差，如圖4中的信號所示。 在處理速率大于100 MHz的信號時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)或相位噪聲可能成為轉換器可用動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)限制因素。 “數字級”時(shí)鐘可能無(wú)法勝任這類(lèi)系統，可能需要使用高性能時(shí)鐘。

總之，走向更寬帶寬信號和“軟件定義”系統的步伐不斷加快，業(yè)界不斷推陳出新，涌現出構建更好、更快數據轉換器的創(chuàng )新方法，將帶寬、動(dòng)態(tài)范圍和功效三個(gè)維度推上了新的臺階。