TI數據轉換器總經(jīng)理談小尺寸、高精度和低功耗的趨勢

　　當物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)自動(dòng)駕駛和5G離我們越來(lái)越近時(shí)，也需要越來(lái)越多的傳感器。數據轉換器作為模擬和數據轉換之間的橋梁，也在不斷演進(jìn)——集成度更高、尺寸更小、功耗更低，此外，數據轉換器的通用性也很重要，以適合多樣化的應用，從而可以批量生產(chǎn)、降低單位器件的成本。

　　自動(dòng)化驅動(dòng)數據轉換器的發(fā)展

　　2018年12月初，TI(德州儀器)數據轉換器產(chǎn)品業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理Karthik Vasanth來(lái)京，向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了其數據轉換器的趨勢，及其剛剛推出的小尺寸DAC和ADC，主要針對工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域。

　　據悉，在數據轉換器發(fā)展中，尺寸和性能方面的下降趨勢，以TI高度精度數據轉換器演進(jìn)為例(如下圖)，可見(jiàn)自2000年以來(lái)的近二十年，數據轉換器的尺寸不斷變小;另一方面單位性能卻在不斷提升。與此相對應的是，客戶(hù)的產(chǎn)品，例如光通信模塊，尺寸也在不斷縮小，數據傳輸率提高了40倍，功耗下降了2倍。

　　圖：TI高精度數據轉換器尺寸演進(jìn)圖

　　觀(guān)察當今市場(chǎng)的趨勢，可用自動(dòng)化來(lái)表述，需要分布式傳感、更高性能和更高密度。

　　具體地，在工廠(chǎng)、汽車(chē)和消費電子等領(lǐng)域的驅動(dòng)下，需要體積更小的傳感器。例如工業(yè)4.0、智能工廠(chǎng)需要更多的傳感器，例如馬達控制時(shí)，需要知道位置信息和保障安全，因此需要更多、體積更小、精度更高的傳感器及數據轉換器。在通訊領(lǐng)域，5G比4G的數據傳輸率要求更高，但設備的外形體積不變，因此需要性能更高、體積更小的數據轉換器。個(gè)人穿戴設備諸如手表和手環(huán)等，對器件的低功耗和體積大小的要求非常嚴苛。汽車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，例如車(chē)道偏離、防碰撞檢測等也需要高性能和低功耗的器件。

　　TI數據轉換器的核心投資領(lǐng)域

　　為此，TI數據轉換器主要有兩個(gè)投資方向：高精度和高速度。高精度方面，繼續向小體積、低功耗、高精度、高吞吐量等方向繼續投入。高速方面，關(guān)注超高速和低功耗。例如已有超高速產(chǎn)品ADC12DJ3200，用于射頻千兆采樣。

　　如何減小芯片的體積?TI有豐富的IC設計工程師，他們都具有二十年多年的經(jīng)驗，對架構進(jìn)行了優(yōu)化。2.工藝，大部分采用TI專(zhuān)有的CMOS工藝，超高速產(chǎn)品會(huì )用到外部的制程。3.封裝方面，采用更小的封裝。值得說(shuō)明的是，由于芯片體積越來(lái)越小，對于客戶(hù)的SMT(表面貼裝技術(shù))生產(chǎn)制造提出了挑戰，因此TI在發(fā)布產(chǎn)品的同時(shí)，往往有較小尺寸和較大尺寸多種封裝方案。此外，為了方便客戶(hù)選型何設計，例如設計的PCB(印制電路板)布局，需要考慮電源、散熱等布局，為此TI網(wǎng)站提供了豐富的工具和參考設計。

　　現在，很多數據轉換器中內置振蕩器，好處有三：1.簡(jiǎn)化了外部器件，易于設計;2.減少了外部干擾，例如減少電網(wǎng)50 Hz或60 Hz(美國等西方電網(wǎng))工頻的干擾;3.使系統方案的體積更小、功耗更低。

　　四個(gè)鮮活的案例，就是TI此次推出的DAC和ADC了（例如上圖紅圈內的型號）。

　　16位和14位DAC：面向光通訊和PLC等應用

　　12月初，TI推出了集高性能與高可靠性于一體的業(yè)界最小的DAC(數模轉換器)。型號為DAC80508與DAC70508，均是八通道高精度數模轉換器(DAC)，分別提供真正的16位和14位分辨率。不僅在緊湊空間內實(shí)現高性能，還有增強的可靠性，可以保證在惡劣條件下通訊。具體特點(diǎn)如下。

　　?減小系統尺寸。這兩款DAC都包括一個(gè)2.5 V，5 ppm/°C內部基準，從而不再需要外部精度基準。供應2.4 mm x 2.4 mm晶粒尺寸型球柵陣列封裝(DSBGA)或晶圓級封裝(WCSP)，及3 mm x 3 mm四方扁平無(wú)引腳(QFN)-16封裝，這些設備最多可比競爭對手產(chǎn)品小36%。新DAC使得設計人員不必在高性能與小尺寸之間艱難取舍，便于工程師實(shí)現最佳系統精度、減小板尺寸或增加通道密度。

　　?高系統精度與更高可靠性。除緊湊尺寸外，DAC80508和DAC70508提供真正的1位最低有效位(LSB)積分非線(xiàn)性，因此能夠實(shí)現16位和14位分辨率水平上的最高精度——與競爭對手產(chǎn)品相比，線(xiàn)性度高出66%。它們全部都具有從-40°C到+125°C的更大溫度范圍，提供如循環(huán)冗余校驗(CRC)等特性，進(jìn)而可提高系統可靠性。

　　二款DAC的參考設計如下圖所示，用于激光通訊方面的一種典型應用。激光通訊模塊分為二部分：高速和低速。該參考設計的目的是提供穩定的偏置電流。如下圖可見(jiàn)，由于有了CRC，還有兩級放大器可提供偏置電流，以提供精確、穩定的電流給激光發(fā)光二極管。

　　兩款24位ADC：面向高精度工業(yè)應用

　　TI還發(fā)布了兩款高精度Σ-Δ?ADC(模數轉換器)，亮點(diǎn)是尺寸小，只有3 mm x 3 mm，有24位高精度和高集成度，有增強的可靠性。

　　型號為ADS122C04和ADS122U04，分別提供雙線(xiàn)I2C兼容接口及雙線(xiàn)UART兼容接口，其中C代表I2C接口，U代表UART接口。特點(diǎn)歸納如下。

　　? 小體積。這些微型24位精度ADC供應3 mm x 3 mm特薄QFN (WQFN)-16和5 mm x 4.4 mm超薄緊縮小型封裝(TSSOP)-16選項。較之串行外圍接口(SPI)，雙線(xiàn)接口只需少量數字隔離通道，這降低了隔離系統的總成本。這些高精度ADC使得設計人員可以利用集成靈活的輸入多路復用器、低噪聲可編程增益放大器(PGA)、兩個(gè)可編程勵磁電流源、一個(gè)振蕩器和一個(gè)高精度溫度傳感器，舍棄外部電路。

　　? 改進(jìn)性能。這兩款設備都具有低漂移2.048 V，5 ppm/°C內部基準。它們的內置2%精度振蕩器，有助設計人員改進(jìn)電源線(xiàn)循環(huán)噪聲抑制，在嘈雜環(huán)境中實(shí)現更高精度。設備的增益值為1到128，噪聲則低至100 nV，故設計人員可測量小信號傳感器，以及因采用一個(gè)ADC而形成的寬信號輸入范圍。此設備系列還供應引腳到引腳兼容的16位選項，這讓設計人員只需調高或調低性能，便可靈活地滿(mǎn)足各種系統要求。

　　應用案例是供熱表設計(如下圖)。該電路主要用于檢測溫度，以此決定向用戶(hù)收費多少錢(qián)。該電路主要是讀取RTD(熱電阻)的信號，然后供給MCU(注：本例中是TI MSP430FR6047)計算，由于牽扯到收費，因此對檢測精度要求很高，且功耗極低，支持電池工作五到十年。

　　小結

　　數據轉換器性能越來(lái)越高、尺寸越來(lái)越小、功耗越來(lái)越低，同時(shí)盡量具有通用性，以具有成本競爭力。

　　圖：TI此次新的數據轉換器海報