TI精益求精的ADC構(gòu)筑工業(yè)系統(tǒng)核心

從近兩年德州儀器(TI)的各種舉措不難發(fā)現(xiàn)，TI的整體策略是著重往工業(yè)、汽車行業(yè)發(fā)展。那么TI為什么那么重視工業(yè)應(yīng)用呢?從HIS公司2014年第二季度公布的數(shù)據(jù)來看，2013年全球工業(yè)半導(dǎo)體市場達(dá)到320億美元，并預(yù)計(jì)未來幾年該市場將平穩(wěn)增長，到2018年將達(dá)約450億美元。目前，TI在工業(yè)半導(dǎo)體市場約占8%的市場份額，雖然處于領(lǐng)先地位，但是仍然有很大的成長空間。TI的“模擬帝國”是其引以為傲的，也是其在工業(yè)半導(dǎo)體大展拳腳的最大籌碼。模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬和數(shù)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(yīng)用推出了兩款新的ADC，TI中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理宋浩然先生專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(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用。

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

整個工業(yè)行業(yè)都在說工業(yè)4.0，在這場新的工業(yè)革命背后模擬IC是核心。宋經(jīng)理表示：“工業(yè)系統(tǒng)中的每一個應(yīng)用系統(tǒng)都相對復(fù)雜。如圖2所示，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在所有的工業(yè)器件選擇或者應(yīng)用中起著非常重要的作用。不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品就會給整個系統(tǒng)的速度、精度、整體功耗等各個方面帶來變化。這也是為什么我們重點(diǎn)為大家介紹TI最新開發(fā)的ADC3k產(chǎn)品以及ADS8688產(chǎn)品系列。這些產(chǎn)品的問世會對相關(guān)領(lǐng)域帶來很大的變化。”

圖2 工業(yè)系統(tǒng)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，比市場同類產(chǎn)品低80 mW，可提供高達(dá)30%的功耗性能比。速率在25 MSPS時，功耗可低至44 mW。此外，ADC3k還有獨(dú)特的性能特性：可選高頻脈動及斬波功能不僅可改善無雜散動態(tài)范圍 (SFDR)，而且還可消除1/f噪聲，可幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化器件性能，滿足系統(tǒng)需求。這些特性，使其不僅適用于高性能電機(jī)控制、醫(yī)療影像與便攜式測量測試等工業(yè)應(yīng)用，而且也適合軟件定義無線電與 MIMO 通信等應(yīng)用。ADC3k是系列的產(chǎn)品，速度從25 MSPS到160 MSPS，可以負(fù)責(zé)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(shù)變化、接口變化讓整個產(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還專門配合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在開發(fā)這兩款產(chǎn)品時就相互考慮著對方，這兩個產(chǎn)品在應(yīng)用中也最好是成對出現(xiàn)。”

精益求精的ADS8688

除了低功耗，系統(tǒng)整體精度往往是做高性能產(chǎn)品的企業(yè)最關(guān)心的問題。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(xiàn)最高總體系統(tǒng)精度：支持業(yè)界最低增益漂移、失調(diào)電壓及失調(diào)漂移，以及最高精度參考，可實(shí)現(xiàn)超過99.9%的高精度。

ADS8688系列集成了20款有源器件，能夠與無需信號調(diào)節(jié)的各種傳感器類型直接連接。 宋經(jīng)理補(bǔ)充到：“用昂貴的分離元件也可以實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)果，但非常復(fù)雜、昂貴，TI用一顆芯片就保證了最低增益漂移、失調(diào)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測試過程中，把需要人工測試的步驟集成到芯片內(nèi)部，并完成以前需要人工校驗(yàn)才能完整的功能和性能，我個人認(rèn)為它是一款劃時代的產(chǎn)品。”

除了高精度，其最大的特點(diǎn)就是允許高達(dá)±10.24 V的輸入范圍通過單5 V電源供電。宋經(jīng)理表示：“工業(yè)現(xiàn)場干擾比較大，導(dǎo)致需要的信號也非常大，因此它的輸入可以高達(dá)10.24 V，這是非常標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號，范圍也很寬。過去要處理±10 V的信號，電源最起碼要12 V或15 V，導(dǎo)致電源系統(tǒng)非常復(fù)雜。ADS8688只用5 V電源，客戶可以完全節(jié)省掉正負(fù)電源的設(shè)計(jì)，PCB上不需要±10 V或±12 V的信號。”

重新定義高精度的概念

針對精度問題，宋經(jīng)理表示：“TI的ADC、DAC產(chǎn)品線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越快，數(shù)據(jù)分辨率越來越高，這兩者的確是代表著ADC的標(biāo)尺，但實(shí)際還有很多其他的指標(biāo)來代表ADC的高精度。比如首款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器(LDC1000)，它已經(jīng)讓我們感覺到了它的高精度不僅是比特?cái)?shù)、位數(shù)和速度，它的高精度體現(xiàn)在直接對電感信號的測量，因此要重新定義高精度的概念。如果說你無限地要求高精度、高采樣率，其實(shí)在我們的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中不是一件難事，無非就是增加功耗、減小半導(dǎo)體工藝尺寸。但如果只是為了這個指標(biāo)，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指標(biāo)，還有綜合性指標(biāo)，這是TI一直致力去提升的指標(biāo)，要想其達(dá)到非常高的水平是非常難的。”

借著探究精度的這個機(jī)會，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(zhuǎn)換器的誤區(qū)：“大家看到越來越多的MCU集成ADC，的確，包括TI的在內(nèi)的處理器廠商都在這樣做，并且集成了比特?cái)?shù)和速度越來越高的ADC，它的效果是在分辨率上，分辨率和精度這兩個指標(biāo)經(jīng)常被混淆，我們常說的16位、14位，這些都是分辨率，也就是ADC可以分辨的最小刻度，而客戶關(guān)注的是工業(yè)指標(biāo)(千分之一或萬分之五)，是精度。精度是從輸入到輸出，MCU采樣，其間所有誤差的累計(jì)，從最小信號到最大信號，不管輸入什么信號，所測試的線路加起來能夠達(dá)到千分之一，這是精度的概念。當(dāng)然，并不是ADC的精度越高，系統(tǒng)的精度就越高。即使用24位ADC，如果前端不好，中間電路設(shè)計(jì)不合理，可能連1/10都達(dá)不到。”

以ADS8688為例，其中集成了20款有源器件，經(jīng)過測試和校驗(yàn)，其最終達(dá)到的效果最大值也只有千分之零點(diǎn)五，也就是萬分之五，比特?cái)?shù)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題，還要把外圍的器件加起來，統(tǒng)計(jì)所有的誤差后而實(shí)現(xiàn)的精度，這才是客戶所關(guān)心，即整個系統(tǒng)達(dá)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(rèn)為這是一把雙刃劍：“集成度的提高肯定會帶來其他問題，可能它的覆蓋率沒有原來那么寬了，但它的針對性會更加明顯。例如ADS8688在集成了20多個有源器件之后更加適用于PLC應(yīng)用了。

TI Design技術(shù)模式

TI Design是去年開始TI著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帶來豐厚的利潤。因?yàn)楣こ處煂⒉皇琴I你一款芯片，而是整套參考設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)TIDA-00294。該參考設(shè)計(jì)除了ADC3k還包括 THS4541 和 LMK04828 時鐘抖動清除器，針對AC及DC耦合單端輸入應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可滿足電機(jī)控制、醫(yī)療影像、便攜式測量測試以及國防軍備的應(yīng)用需求。針對ADS8688，有兩個參考設(shè)計(jì)：(1)TIPD167，適用于電力自動化的 8 通道多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包含理論、組件選擇、仿真、驗(yàn)證和測量性能等，可深入了解采用多路復(fù)用 ADC 補(bǔ)償多相位計(jì)量系統(tǒng)的方法，支持±10 V振幅的0.002 036°補(bǔ)償相位差，典型頻率為 50 Hz;(2)TIDA-00164：適用于PLC應(yīng)用的單電源模擬輸入模塊設(shè)計(jì)，其符合 IEC-61000 標(biāo)準(zhǔn)。

目前，TI主要專注于4個重要的工業(yè)領(lǐng)域：工廠自動化、樓宇自動化、電機(jī)驅(qū)動與控制以及名聲大噪智能電網(wǎng)。TI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，努力幫助其工業(yè)客戶改變設(shè)計(jì)和產(chǎn)品面貌，迎接工業(yè)4.0時代。