省電設計使DDS更適合便攜應用

直接數字頻率合成器(DDS)已獲得廣泛應用，這是由于其快速的頻率切換速度和調制能力。但是，在低功耗和低成本作為關(guān)鍵因素的情況下，對模擬鎖相環(huán)(PLL)合成器是有利的，DDS則往往降為第二位的選擇。然而，ADI公司的AD9913型號在125MHz輸出帶寬范圍內提供了DDS技術(shù)的快速切換和調制靈活性，并具有類(lèi)似PLL大約只有50mW的低功耗。

DDS解決方案的功耗一直以來(lái)都很高。例如，當型號為AD9850的第一款集成數字-模擬轉換器(DAC)的DDS產(chǎn)品在20世紀90年代中期出現時(shí)，它在50MHz的輸出帶寬下功耗為380mW。體現在AD9913中的創(chuàng )新造就了相對AD9850而言，在功耗與帶寬關(guān)系之間20X的提升。

AD9913為便攜式和/或儀表應用帶來(lái)了三個(gè)關(guān)鍵的好處。較低的50mW功耗讓設計師能夠在掌上電腦和其它便攜式應用中利用DDS的優(yōu)勢。可編程模數結構對網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘和儀表應用是一個(gè)具吸引力的功能。它使得頻率合成可以是采樣速率的任意有理(兩個(gè)整數之比)分數。當分母是2的倍數時(shí)，傳統的DDS只能合成采樣率的有理分數，如1/4和5/16，而AD9913并不局限于2倍數的約束。它可以產(chǎn)生的輸出信號是采樣率的任意有理分數，如1/10、3/7或286/11487(只要它們屬于A(yíng)D9913的編程范圍之內)。最后，像該公司早前的某些DDS產(chǎn)品一樣，AD9913提供了極為靈活的波形產(chǎn)生。

AD9913的低功耗是通過(guò)幾種省電創(chuàng )新來(lái)實(shí)現的。第一個(gè)問(wèn)題涉及到DDS基于正弦和/或余弦函數通過(guò)相位累加器將產(chǎn)生的瞬時(shí)相位值轉換為振幅值。傳統上，只讀存儲器(ROM)查找表來(lái)實(shí)現這項任務(wù)。不過(guò)，隨著(zhù)DDS技術(shù)發(fā)展到更高的速度和更大的復雜性，ROM方式的功耗負擔變得令人望而卻步。這導致采用專(zhuān)利的角旋轉算法，該算法依靠計算引擎來(lái)實(shí)現正弦和/或余弦轉換。角旋轉算法的方式可以追溯到AD9850型DDS，并且發(fā)現其相對ROM查找表法而言可顯著(zhù)降低功耗。許多早期不采用角旋轉算法的DDS產(chǎn)品會(huì )需要特殊的熱封裝來(lái)配合增加的功耗。此外，在該公司現有的DDS產(chǎn)品中，熱考量可能迫使許多寶貴的特點(diǎn)被去除(例如，DDS輸出信號的數字相位和/或頻率調制、數字濾波來(lái)減輕sin(x)/x損耗、用于多通道應用的多DDS內核)。

在降低功耗方面的下一個(gè)重大突破可以歸功于該公司專(zhuān)利的相位交叉DDS結構。早期降低功率是通過(guò)角旋轉算法，使得在同一芯片上運行多個(gè)DDS內核成為可能。結果發(fā)現，在較低的采樣速率運行多個(gè)DDS內核，比在非常高的采樣率下運行單個(gè)DDS內核的功耗要低。這是一個(gè)重大的突破，因為高分辨率(14b或更高)、高采樣率(1GHz或更高)的數字-模擬轉換器(DAC)內核需要在DDS技術(shù)上創(chuàng )新，以便充分利用這些新的DAC內核。交叉DDS架構能讓設計師把多份已低功耗的DDS內核副本合并，并在比高頻率DAC內核更低的采樣速率下操作它們。隨著(zhù)過(guò)渡到180-nm CMOS制造工藝，這種新的創(chuàng )新架構導致了DDS輸出帶寬的急劇增加，但相對前一代低頻DDS產(chǎn)品而言?xún)H有適中的功耗。

然而，即使有了這些創(chuàng )新，在手持設備和便攜式應用中功耗仍是極大的。為了縮小這種差距，另一個(gè)創(chuàng )新是必要的。隨著(zhù)新的專(zhuān)利變異角度旋轉算法的出現，進(jìn)一步降低了DDS內核的功耗。新的算法結合了關(guān)注低功率操作的設計理念，使設計師能夠達到預期的低功耗設計目標。新的理念包括了當不需要特定的操作模式時(shí)，關(guān)閉所有無(wú)關(guān)的內部時(shí)鐘，以及從每塊電路削減功耗，只要不降低頻譜性能或過(guò)分限制帶寬。

其成果就是AD9913，它工作在采樣率達250MHz，但只有50mW的功耗。250MHz的采樣率產(chǎn)生了大約100MHz的可用帶寬。結合了低功耗的輸出頻率能力，使得AD9913對廣范的射頻控制器件以及條形碼無(wú)線(xiàn)掃描器和射頻識別(RFID)標簽而言，成為極具吸引力的候選者。但是，對于要求高于100MHz的應用而言，必須采用輔助PLL來(lái)實(shí)現上變頻。其他便攜/手持應用可以低功耗DDS技術(shù)中獲益，這包括了軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)、遙控或便攜式有線(xiàn)電視測試設備、醫療葡萄糖計、無(wú)線(xiàn)火災報警器，以及電子測量設備，例如頻譜分析儀和波形發(fā)生器等。