從ADI最新旗艦產(chǎn)品管窺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)發(fā)展趨勢

ADI公司提供了業(yè)界最齊全、領(lǐng)先的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)系列和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)系列，這些產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了高采樣速率、高精度、低噪聲、低功耗、低價(jià)格及小型封裝尺寸的完美結(jié)合，能夠滿足工業(yè)和儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、汽車系統(tǒng)、通信基礎(chǔ)設(shè)施以及消費(fèi)電子產(chǎn)品所需。傲視同儕的性能和價(jià)值是ADI在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場持續(xù)領(lǐng)先的關(guān)鍵。

美國市場調(diào)查公司Databeans的研究預(yù)測，從2011年到2015年，模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器市場將迎來9%的年增長率，其中以要求更高便攜性和更長電池使用時(shí)間的新興市場最為突出，其次是要求更高性能的傳統(tǒng)應(yīng)用。事實(shí)上，從ADI公司近年來推出的系列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品也可以看出這樣的技術(shù)發(fā)展趨勢。本文將以ADI公司近年來推出的領(lǐng)先產(chǎn)品為例，管窺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)發(fā)展趨勢。

功能集成滿足新興應(yīng)用需求
無論是電池供電的便攜式產(chǎn)品還是市電供電的消費(fèi)電子、工業(yè)及醫(yī)療電子產(chǎn)品，高集成度幾乎是共同的需求。高集成度帶來的不僅僅是更高的便攜性或更小的占位面積，對于很多產(chǎn)品來說還可以提升產(chǎn)品的功能、降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度和產(chǎn)品的BOM成本。特別是對于很多重要的行業(yè)應(yīng)用來說，未來數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將延續(xù)功能集成的發(fā)展趨勢，工程師將可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用到更多具有豐富功能特性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。

ADI年初推出的全集成模擬前端（AFE）系列芯片的首款產(chǎn)品ADAS1000 就是一個(gè)范例。ADAS1000將原有ECG系統(tǒng)前端的50多個(gè)有源器件集成在一顆芯片內(nèi)，支持ECG系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)級和診斷級性能，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及占板空間。如圖2的內(nèi)部功能框圖所示，ADAS1000內(nèi)部集成了完美的信號調(diào)理電路，在對ECG電極信號進(jìn)行采樣之前即完成了多通道的信號調(diào)理。而且，ADAS1000還能通過軟件工具在芯片的高集成度和靈活性方面實(shí)現(xiàn)更好的平衡，用戶可以通過軟件平臺配置與芯片內(nèi)各功能模塊對應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)，從而為各功能塊設(shè)定不同的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字輸出選項(xiàng)。ADAS1000可有效用于各種ECG系統(tǒng)，包括診斷心電圖儀、床邊病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)儀和心臟除顫器。未來推出的該系列新產(chǎn)品還將提供更多優(yōu)化特性和功能，以支持傳統(tǒng)及新興的ECG系統(tǒng)應(yīng)用。

圖2：ADAS1000內(nèi)部功能框圖。

ADI公司在四年前就曾推出了業(yè)界首款在單芯片上集成完整八通道超聲接收器的器件AD9271。而去年年底推出的新型八通道超聲模擬前端AD9278 和AD9279再次實(shí)現(xiàn)更多領(lǐng)先特性和功能的整合：集成的LNA/VGA、ADC和抗混疊濾波器克服了分立解決方案可能面臨器件間匹配的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并大大縮小了PCB尺寸；集成的連續(xù)波（CW）多普勒調(diào)制器幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師進(jìn)一步提高相對于分立解決方案的噪聲性能；具備高動(dòng)態(tài)范圍I/Q解調(diào)器，可減小實(shí)現(xiàn)CW多普勒處理所需的功耗和面積。

高集成度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器案例絕不僅限于醫(yī)療應(yīng)用。AD7606數(shù)據(jù)采集芯片就在上一代產(chǎn)品基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了8通道、16位、真雙極性、同步采樣ADC，單芯片內(nèi)集成多個(gè)通道可支持變電站自動(dòng)化設(shè)備中三相電流、電壓和零線的測量。同步采樣功能允許保留相位信息，同時(shí)可以在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)對雙極性電壓和電流進(jìn)行采樣。AD7606系列的所有8個(gè)通道都能實(shí)現(xiàn)最高200 kSPS的采樣速率。它內(nèi)置低噪聲、高阻抗輸入和信號調(diào)整放大器，可處理最高22 kHz的輸入頻率。高集成度使得每個(gè)AD7606只需9個(gè)低值陶瓷去耦電容就能工作，大大簡化信號調(diào)理電路并減少器件數(shù)量、電路板面積和測量保護(hù)板的成本，而且高集成度帶來的良好的通道間和器件間性能匹配大大簡化了校準(zhǔn)程序。目前該產(chǎn)品在電力線路測量和保護(hù)系統(tǒng)中已經(jīng)獲得了大量應(yīng)用。

標(biāo)桿性能支持產(chǎn)品創(chuàng)新
產(chǎn)品創(chuàng)新成為了近年來企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)關(guān)鍵話題。如何創(chuàng)新？除了需要具有創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，更關(guān)鍵的是需要利用創(chuàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新?？v觀近年來國內(nèi)外推出的各種創(chuàng)新電子產(chǎn)品，作為連接模擬與數(shù)字世界的橋梁，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能表現(xiàn)很多時(shí)候都扮演著至關(guān)重要的角色，未來電子產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新依然很大程度上需要依賴于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的卓越性能表現(xiàn)。ADI一直引領(lǐng)著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的變革，推出了大量具有行業(yè)標(biāo)桿性能的產(chǎn)品， ADI依然認(rèn)為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的創(chuàng)新還有很長的路，還有大量可以提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會等待發(fā)現(xiàn)。

ADI新近推出的針對儀器儀表和通信應(yīng)用兩款模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9284 和AD9286 就再次樹立了該領(lǐng)域的性能新標(biāo)桿：AD9284的310mW功耗創(chuàng)業(yè)界最低水平，是業(yè)界首款雙通道、8位、250 MSPS ADC，而AD9286則是業(yè)界功耗最低的8位、500 MSPS ADC，能以低于競爭產(chǎn)品40%的功耗提供8位分辨率。兩款轉(zhuǎn)換器均具有49.3 dBFS的高信噪比(SNR)，支持寬動(dòng)態(tài)信號范圍，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)達(dá)到65 dBc。這兩款產(chǎn)品的推出將有助于包括電池供電的儀器儀表、手持式示波器和數(shù)字示波器等實(shí)現(xiàn)卓越的性能特性。

2011年初，ADI公司推出了業(yè)界速度最快、達(dá)250MSPS的16位ADC——AD9467。與其它16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，這款16位、250 MSPS ADC可在能耗降低35%的情況下將采樣率提高25%，其信號處理性能達(dá)到新的高度，適合測試和測量儀器、防務(wù)電子以及通信等要求大帶寬高分辨率的應(yīng)用。除了提供高分辨率和高采樣率，AD9467的SFDR（無雜散動(dòng)態(tài)范圍）高達(dá)100 dBFs，SNR（信噪比）性能達(dá)76.4 dBFS。該器件在300MHz模擬輸入時(shí)達(dá)90 dBFs的SFDR和60 fs rms的抖動(dòng)，使得工程師能在更高的中頻條件下提升系統(tǒng)性能，降低信號鏈的元器件數(shù)量，從而減少信號下變頻級數(shù)。AD9467的推出將推動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)、頻譜分析儀以及用于無線基礎(chǔ)設(shè)施的多載波、多模式接收機(jī)技術(shù)的快速提升。

更低功耗慳下每個(gè)電荷

隨著節(jié)能環(huán)保的理念深入人心，低功耗已經(jīng)成為幾乎所有電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師關(guān)注的關(guān)鍵特性之一，而作為對很多電子產(chǎn)品功耗特性具有重要影響的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來說，其功耗特性通常在很大程度上決定了產(chǎn)品整體系統(tǒng)的功耗性能表現(xiàn)。如何通過采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、創(chuàng)新架構(gòu)、以及更多獨(dú)特設(shè)計(jì)技術(shù)降低功耗將成為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品未來技術(shù)競爭的焦點(diǎn)之一。為此，ADI公司每年投入數(shù)千人的工程師技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，以保持在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的持續(xù)領(lǐng)先。僅2011年一年，ADI就推出了近50款具有極低功耗特性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。

以智能變送器應(yīng)用為例，作為基于微處理器的智能現(xiàn)場儀器，通常位于惡劣環(huán)境或遠(yuǎn)程區(qū)域，借助附加通信協(xié)議支持，通過4-20 mA 模擬環(huán)路供電進(jìn)行雙向通信。為智能變送器設(shè)計(jì)選擇電子電路時(shí)，功耗是首要考慮因素，因?yàn)檫@些現(xiàn)場儀器所處的位置決定了它們必須直接采用4-20 mA環(huán)路供電。AD5421是一款完整的環(huán)路供電數(shù)字至4-20mA變送器，這款新型DAC通過減少元件總數(shù)和降低內(nèi)部功耗實(shí)現(xiàn)了極高的系統(tǒng)功效，功耗比競爭產(chǎn)品低50%，面積節(jié)省55%。在大大降低功耗的同時(shí)，AD5421還實(shí)現(xiàn)了競爭產(chǎn)品三倍的精度，并提供片內(nèi)診斷功能、集成了可編程電壓調(diào)節(jié)電路以及具有高線性度和低漂移等獨(dú)特特性。

AD5755是ADI公司另外一款具有超低功耗的高度集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。AD5755采用了動(dòng)態(tài)功率控制、功能完善的多通道控制，內(nèi)置4個(gè)帶可編程電壓或4至20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器的16位精密DAC。與其它控制器技術(shù)相比，這款新型的轉(zhuǎn)換器降低了80%的功耗，凈散熱（硅片溫度減去環(huán)境溫度）增強(qiáng)75%。AD5755無與倫比的功能和性能組合所支持的通道數(shù)是其他集成轉(zhuǎn)換器的4倍，可以在單模擬I/O模塊中以兩倍的性能支持4倍之多的引腳。AD5755的動(dòng)態(tài)功率控制功能通過降低功耗和自熱效應(yīng)，滿足了客戶增加通道密度的需要，使制造商不必增加系統(tǒng)尺寸或犧牲其他性能參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)多通道設(shè)計(jì)。