TI精益求精的ADC構筑工業(yè)系統核心

從近兩年德州儀器(TI)的各種舉措不難發(fā)現，TI的整體策略是著(zhù)重往工業(yè)、汽車(chē)行業(yè)發(fā)展。那么TI為什么那么重視工業(yè)應用呢?從HIS公司2014年第二季度公布的數據來(lái)看，2013年全球工業(yè)半導體市場(chǎng)達到320億美元，并預計未來(lái)幾年該市場(chǎng)將平穩增長(cháng)，到2018年將達約450億美元。目前，TI在工業(yè)半導體市場(chǎng)約占8%的市場(chǎng)份額，雖然處于領(lǐng)先地位，但是仍然有很大的成長(cháng)空間。TI的“模擬帝國”是其引以為傲的，也是其在工業(yè)半導體大展拳腳的最大籌碼。模數轉換器作為連接模擬和數字世界的接口，一直是TI重視的產(chǎn)品。近日，TI就針對工業(yè)應用推出了兩款新的ADC，TI中國區高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理宋浩然先生專(zhuān)程向記者介紹了新品，并講述了TI如何讓ADC與其他器件、工具配合服務(wù)于復雜的工業(yè)應用。

圖1 TI中國區高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理宋浩然

整個(gè)工業(yè)行業(yè)都在說(shuō)工業(yè)4.0，在這場(chǎng)新的工業(yè)革命背后模擬IC是核心。宋經(jīng)理表示：“工業(yè)系統中的每一個(gè)應用系統都相對復雜。如圖2所示，數據轉換器在所有的工業(yè)器件選擇或者應用中起著(zhù)非常重要的作用。不同數據轉換器產(chǎn)品就會(huì )給整個(gè)系統的速度、精度、整體功耗等各個(gè)方面帶來(lái)變化。這也是為什么我們重點(diǎn)為大家介紹TI最新開(kāi)發(fā)的ADC3k產(chǎn)品以及ADS8688產(chǎn)品系列。這些產(chǎn)品的問(wèn)世會(huì )對相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)很大的變化。”

圖2 工業(yè)系統的通用框圖

性能功耗比最佳的ADC3k

ADC3k具有業(yè)界最低功耗和最佳性能功耗比，在160 MSPS的最快采樣速率下，每通道功耗僅為200 mW，比市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品低80 mW，可提供高達30%的功耗性能比。速率在25 MSPS時(shí)，功耗可低至44 mW。此外，ADC3k還有獨特的性能特性：可選高頻脈動(dòng)及斬波功能不僅可改善無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)，而且還可消除1/f噪聲，可幫助設計人員優(yōu)化器件性能，滿(mǎn)足系統需求。這些特性，使其不僅適用于高性能電機控制、醫療影像與便攜式測量測試等工業(yè)應用，而且也適合軟件定義無(wú)線(xiàn)電與 MIMO 通信等應用。ADC3k是系列的產(chǎn)品，速度從25 MSPS到160 MSPS，可以負責不同采樣率的ADC。它提供雙通道或四通道，接口有LVDS和JESD204B兩種，因此采樣率、通道數變化、接口變化讓整個(gè)產(chǎn)品系列有32顆產(chǎn)品。

TI模擬產(chǎn)品是全而廣的，可以搭配使用也是其優(yōu)勢之一。宋經(jīng)理介紹到：“TI還專(zhuān)門(mén)配合ADC3k，推出了全新放大器THS4541以提升ADC3k的性能。THS4541具有出色的諧波失真性能與超低功耗，可最大限度提高性能。TI在開(kāi)發(fā)這兩款產(chǎn)品時(shí)就相互考慮著(zhù)對方，這兩個(gè)產(chǎn)品在應用中也最好是成對出現。”

精益求精的ADS8688

除了低功耗，系統整體精度往往是做高性能產(chǎn)品的企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題。為此，宋經(jīng)理介紹了TI新推出的一款SAR ADC ADS8688系列，其可實(shí)現最高總體系統精度：支持業(yè)界最低增益漂移、失調電壓及失調漂移，以及最高精度參考，可實(shí)現超過(guò)99.9%的高精度。

ADS8688系列集成了20款有源器件，能夠與無(wú)需信號調節的各種傳感器類(lèi)型直接連接。 宋經(jīng)理補充到：“用昂貴的分離元件也可以實(shí)現所需的結果，但非常復雜、昂貴，TI用一顆芯片就保證了最低增益漂移、失調電壓漂移以及更高精度和更高性能比。TI把工程師需要校正的工作放在TI測試過(guò)程中，把需要人工測試的步驟集成到芯片內部，并完成以前需要人工校驗才能完整的功能和性能，我個(gè)人認為它是一款劃時(shí)代的產(chǎn)品。”

除了高精度，其最大的特點(diǎn)就是允許高達±10.24 V的輸入范圍通過(guò)單5 V電源供電。宋經(jīng)理表示：“工業(yè)現場(chǎng)干擾比較大，導致需要的信號也非常大，因此它的輸入可以高達10.24 V，這是非常標準的工業(yè)信號，范圍也很寬。過(guò)去要處理±10 V的信號，電源最起碼要12 V或15 V，導致電源系統非常復雜。ADS8688只用5 V電源，客戶(hù)可以完全節省掉正負電源的設計，PCB上不需要±10 V或±12 V的信號。”

重新定義高精度的概念

針對精度問(wèn)題，宋經(jīng)理表示：“TI的ADC、DAC產(chǎn)品線(xiàn)在不斷重新刷新高精度。其實(shí)高精度不僅僅是采樣速度越來(lái)越快，數據分辨率越來(lái)越高，這兩者的確是代表著(zhù)ADC的標尺，但實(shí)際還有很多其他的指標來(lái)代表ADC的高精度。比如首款電感數字轉換器(LDC1000)，它已經(jīng)讓我們感覺(jué)到了它的高精度不僅是比特數、位數和速度，它的高精度體現在直接對電感信號的測量，因此要重新定義高精度的概念。如果說(shuō)你無(wú)限地要求高精度、高采樣率，其實(shí)在我們的設計過(guò)程當中不是一件難事，無(wú)非就是增加功耗、減小半導體工藝尺寸。但如果只是為了這個(gè)指標，而不是做最終的產(chǎn)品，就是徒勞的。最終的產(chǎn)品不僅是要看這兩個(gè)指標，還有綜合性指標，這是TI一直致力去提升的指標，要想其達到非常高的水平是非常難的。”

借著(zhù)探究精度的這個(gè)機會(huì )，宋經(jīng)理也為大家分析了一些人對于嵌入式處理器中集成的轉換器的誤區：“大家看到越來(lái)越多的MCU集成ADC，的確，包括TI的在內的處理器廠(chǎng)商都在這樣做，并且集成了比特數和速度越來(lái)越高的ADC，它的效果是在分辨率上，分辨率和精度這兩個(gè)指標經(jīng)常被混淆，我們常說(shuō)的16位、14位，這些都是分辨率，也就是ADC可以分辨的最小刻度，而客戶(hù)關(guān)注的是工業(yè)指標(千分之一或萬(wàn)分之五)，是精度。精度是從輸入到輸出，MCU采樣，其間所有誤差的累計，從最小信號到最大信號，不管輸入什么信號，所測試的線(xiàn)路加起來(lái)能夠達到千分之一，這是精度的概念。當然，并不是ADC的精度越高，系統的精度就越高。即使用24位ADC，如果前端不好，中間電路設計不合理，可能連1/10都達不到。”

以ADS8688為例，其中集成了20款有源器件，經(jīng)過(guò)測試和校驗，其最終達到的效果最大值也只有千分之零點(diǎn)五，也就是萬(wàn)分之五，比特數就是11位。ADS8688也是16位的分辨率，但精度是二千分之一。它不僅包含精度的問(wèn)題，還要把外圍的器件加起來(lái)，統計所有的誤差后而實(shí)現的精度，這才是客戶(hù)所關(guān)心，即整個(gè)系統達到多少精度。

ADC等模擬器件集成更多的有源器件是一種趨勢，宋經(jīng)理認為這是一把雙刃劍：“集成度的提高肯定會(huì )帶來(lái)其他問(wèn)題，可能它的覆蓋率沒(méi)有原來(lái)那么寬了，但它的針對性會(huì )更加明顯。例如ADS8688在集成了20多個(gè)有源器件之后更加適用于PLC應用了。

TI Design技術(shù)模式

TI Design是去年開(kāi)始TI著(zhù)重向工程師推廣的一種“技術(shù)模式”，就像商業(yè)模式一樣，這種模式也有待慢慢地培育，一旦成熟，將給TI帶來(lái)豐厚的利潤。因為工程師將不是買(mǎi)你一款芯片，而是整套參考設計中涉及的IC。

針對ADC3k，TI提供了高性能單端至差分有源接口參考設計TIDA-00294。該參考設計除了ADC3k還包括 THS4541 和 LMK04828 時(shí)鐘抖動(dòng)清除器，針對AC及DC耦合單端輸入應用進(jìn)行了優(yōu)化，可滿(mǎn)足電機控制、醫療影像、便攜式測量測試以及國防軍備的應用需求。針對ADS8688，有兩個(gè)參考設計：(1)TIPD167，適用于電力自動(dòng)化的 8 通道多路復用數據采集系統，包含理論、組件選擇、仿真、驗證和測量性能等，可深入了解采用多路復用 ADC 補償多相位計量系統的方法，支持±10 V振幅的0.002 036°補償相位差，典型頻率為 50 Hz;(2)TIDA-00164：適用于PLC應用的單電源模擬輸入模塊設計，其符合 IEC-61000 標準。

目前，TI主要專(zhuān)注于4個(gè)重要的工業(yè)領(lǐng)域：工廠(chǎng)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、電機驅動(dòng)與控制以及名聲大噪智能電網(wǎng)。TI數據轉換器正在重新定義高精度、推進(jìn)速度極限，并支持更便捷的設計，努力幫助其工業(yè)客戶(hù)改變設計和產(chǎn)品面貌，迎接工業(yè)4.0時(shí)代。