信號(hào)鏈的集成與去集成

　　混合信號(hào)解決方案是不可阻擋的趨勢(shì)。我們希望電子設(shè)備能夠與我們交互，當(dāng)我們靠近時(shí)，車(chē)門(mén)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)開(kāi)鎖，當(dāng)我們坐在電腦前，電腦應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)開(kāi)啟，或者至少，屏幕保護(hù)程序應(yīng)當(dāng)有所動(dòng)作，表示它很高興我們回來(lái)了。當(dāng)我們身處低光照條件下時(shí)，手機(jī)屏幕應(yīng)當(dāng)變暗以節(jié)約能量，溫度調(diào)節(jié)裝置應(yīng)當(dāng)把房間溫度保持在一個(gè)舒適范圍內(nèi)。人類(lèi)是模擬的，意味著他們的變化是無(wú)窮的，而電子產(chǎn)品用電壓和電流做為它們自己的語(yǔ)言來(lái)與人類(lèi)溝通。在電領(lǐng)域，從傳感器最初讀到的通常是由輸入電路調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)、處理，再轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)后再與我們交互。簡(jiǎn)化的功能框圖如圖1所示。

　　基本的功能框圖是相對(duì)不變的，只是在工作頻率、通道帶寬、處理功耗和技術(shù)上會(huì)有所變化。在開(kāi)始討論系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題之前，讓我們多看看每個(gè)功能塊(從左至右)的細(xì)節(jié)。

　　混合信號(hào)鏈中的級(jí)

　　傳感器在物理世界和電信號(hào)世界之間架起了溝通的橋梁，在概述里舉的所有示例都需要用到傳感器，它們可以是射頻、接近、環(huán)境光或溫度傳感器。溫度和壓力傳感器是最常見(jiàn)的兩種傳感器。在行業(yè)市場(chǎng)中，人們對(duì)使用精確的流量傳感器的興趣正日益高漲。當(dāng)有物體接近時(shí)，接近傳感器會(huì)將紫外光反射到電信號(hào)中。在帶有屏幕的便攜式設(shè)備中，環(huán)境光傳感器是一個(gè)必備的器件，可起到節(jié)約能量并延長(zhǎng)電池壽命的作用。

　　混合信號(hào)鏈中的下一級(jí)是輸入放大器。輸入放大器必須正確接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，不能裝載信號(hào)或使信號(hào)失真。由于傳感器的種類(lèi)很多，因此可能需要許多種放大器來(lái)與傳感器正確匹配。比較時(shí)髦的是儀表放大器、斬波穩(wěn)定放大器、低噪聲放大器和輸入偏置消磁放大器。每個(gè)系統(tǒng)解決方案都有不同的需求，應(yīng)當(dāng)與針對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化的放大器匹配使用。

　　如果需要濾波(多數(shù)情況下是需要的)，可以把濾波電路放在放大器周?chē)?，或是串接到系統(tǒng)中。濾波本身就是一門(mén)藝術(shù)。有上百種在線程序能夠幫助你設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的電路。有一個(gè)新工具組合了實(shí)際的電路設(shè)計(jì)技巧和濾波器設(shè)計(jì)上的多年經(jīng)驗(yàn)，這就是Intersil的iSim Active Filter Designer (http://web.transim.com/iSim/)。這個(gè)工具非常強(qiáng)大，而且是免費(fèi)的。

　　我認(rèn)為， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是信號(hào)鏈中最重要的選擇，通常也是第一個(gè)被選定的模塊。選用什么樣的ADC將決定系統(tǒng)的比特?cái)?shù)、系統(tǒng)速度和主耗能模塊之一。選定拓?fù)鋾?huì)產(chǎn)生不同的折中，這要依需求而定。只要說(shuō)上幾個(gè)拓?fù)涞拿郑妥阋园岩粋€(gè)正常人搞暈了：∑△型，流水線型，逐次接近型，快速型(Flash)和積分型。最難理解的拓?fù)淇赡苁?sum;△型。這是一種過(guò)采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常工作在低頻，不過(guò)也有幾種產(chǎn)品的頻率突破了1MHz。∑△ ADC具有最高的分辨率，比如24位，這種ADC可用于稱重、溫度控制和儀表當(dāng)中。逐次逼近型ADC也被稱為“SAR”ADC，因?yàn)檫@種ADC使用一個(gè)逐次逼近寄存器，在分辨率和速度上做了折中，工作頻率從1kHz到幾兆赫茲，并提供中等精度。積分型轉(zhuǎn)換器是低速轉(zhuǎn)換器，原因是這種轉(zhuǎn)換器需要花時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平均。由于這種轉(zhuǎn)換器可以濾掉電源噪聲(50Hz或60Hz)，因此對(duì)直流測(cè)量來(lái)說(shuō)是非常好的選擇。快速型ADC的工作頻率可以超過(guò)1GHz，但精度只有10位。為實(shí)現(xiàn)這么高的速度，快速型ADC要消耗大量的能量，因?yàn)锳DC要在一步內(nèi)計(jì)算出轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果你選擇在功耗上做出讓步，使用一個(gè)兩級(jí)方案，就被稱為多級(jí)轉(zhuǎn)換器。如果你選擇3級(jí)甚至更多級(jí)方案，那你通?？梢苑Q之為流水線型轉(zhuǎn)換器。流水線型ADC的工作頻率從55kHz到500MHz，分辨率可以高達(dá)16位。

　　數(shù)字信號(hào)處理通常是由微控制器或FPGA完成的。可以根據(jù)分辨率、速度、占位(尺寸)和功耗來(lái)選擇這些功能塊。很多時(shí)候，選擇器件的理由是設(shè)計(jì)者以前使用過(guò)這些器件，對(duì)器件很熟悉。設(shè)計(jì)者還要讓ADC產(chǎn)生的信號(hào)或DAC需要的信號(hào)保持一致。事實(shí)上，有許多內(nèi)建ADC和DAC的此類(lèi)器件可供使用。這些內(nèi)建的轉(zhuǎn)換器對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但不少無(wú)法提供分立ADC和DAC所具有的性能。

　　如果你決定使用一個(gè)分立DAC封裝，你還會(huì)碰到一系列的速度、分辨率、功耗和性能問(wèn)題，就象ADC一樣。DAC有一種∑△拓?fù)?，其過(guò)采樣類(lèi)似于對(duì)應(yīng)的高質(zhì)量ADC。兩個(gè)更簡(jiǎn)單的DAC是R-2R和電阻串。而R-2R配置依賴于匹配程度，電阻串可以保證單調(diào)性(輸入電壓每增加一點(diǎn)，輸出電壓會(huì)相應(yīng)地增加)。

　　無(wú)論要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是什么，都要用輸出放大器對(duì)DAC進(jìn)行緩沖。在某些情況下，根據(jù)DAC的輸出信號(hào)，這個(gè)放大器還必須把電流轉(zhuǎn)換成電壓。在這一級(jí)里可能需要濾波，對(duì)濾波的需求類(lèi)似于輸入部分。

　　為了讓討論相對(duì)簡(jiǎn)單一些，我們沒(méi)有涉及系統(tǒng)中的其他部件。記住，每個(gè)功能塊都需要干凈的電源軌，許多還需要一個(gè)來(lái)自電壓參考或數(shù)字電位計(jì)的電壓。此外，良好的電源旁路和出色的布線技巧也會(huì)增加成功的機(jī)會(huì)。

　　混合信號(hào)系統(tǒng)問(wèn)題

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)研究了混合信號(hào)鏈中的每一個(gè)模塊，讓我們看看怎么把它們合到一起。成本決定了許多設(shè)計(jì)的選型。如果成本是首要的考慮因素，那么使用內(nèi)置ADC和DAC的微控制器也許是你的最優(yōu)選項(xiàng)。設(shè)計(jì)者更喜歡選擇的次優(yōu)選項(xiàng)是成對(duì)工作的ADC和DAC，ADC和DAC要具有近似的特性，而且通常來(lái)自于同一家供應(yīng)商。制造商一般會(huì)提供演示板，以便減少調(diào)試時(shí)間。

　　許多設(shè)計(jì)者正想辦法把信號(hào)鏈的兩端進(jìn)行集成。如果不要求象轉(zhuǎn)換器那樣把這些功能做在一個(gè)硅片上，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)足以把運(yùn)放和一些濾波器件封裝在一起。很顯然，這么做在占位和易用上都是有好處的，在商用產(chǎn)品中看來(lái)是肯定會(huì)這樣做的。如果一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者想選用一個(gè)組合運(yùn)放和轉(zhuǎn)換器功能的器件來(lái)節(jié)省空間，為什么他或她不會(huì)希望把整個(gè)混合信號(hào)路徑整合到一個(gè)路徑中呢?沒(méi)有這回事。這就是為什么專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)被廣泛使用的原因。

　　但你為什么要選擇去集成呢?原因有很多。產(chǎn)品或應(yīng)用可能比較新，還沒(méi)到有必要投資開(kāi)發(fā)一個(gè)ASSP設(shè)計(jì)的地步。其次是沒(méi)有一點(diǎn)靈活性。萬(wàn)一你想升級(jí)到更高階的濾波器，以補(bǔ)償一個(gè)新的強(qiáng)干擾?萬(wàn)一你想嘗試一個(gè)新的轉(zhuǎn)換器配置?萬(wàn)一你必須快速建立一個(gè)原型產(chǎn)品?萬(wàn)一小的設(shè)計(jì)改動(dòng)能讓你的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活并且能容納更多的應(yīng)用和更多的客戶?我個(gè)人特別喜歡的情況是：萬(wàn)一你希望得到更低的功耗呢?許多轉(zhuǎn)換器需要1.8V電源，而許多運(yùn)算放大器可能需要3.3V或5V來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所需的動(dòng)態(tài)范圍/CMRR。分立方案的選擇更多，對(duì)應(yīng)用的優(yōu)化也更多。許多有經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)電路布板和電源旁路十分精通，他們傾向于選用分立方案，這樣可以保留進(jìn)一步選擇的便利。

　　然而只要集成沒(méi)有限制我們能力的發(fā)揮，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它就會(huì)讓我們的生活變得更加輕松。