新兴应用给数据转换提出新要求

摘要：新一级别的高性能、小外形、低功耗数据转换器为大多数重要的工业、医疗以及通信等应用提供了特别需要的高速响应、多信道以及低延迟等性能。

关键词：数据转换器；信号调理；模拟IP；基站；医疗电子

数据转换器是把模拟和数字世界联系起来的关键信号模块。它们把由传感器、变送器以及热电偶产生的信号进行数字化转换，从而得到可供分析、处理、存储并由计算机显示的数据。

数据转换器实际上使得每一种应用的功能得到增强，如在通信、网络、仪器、工业过程控制、医疗和军事航空领域、蜂窝基站接收机、机顶盒、便携式收音机、有线电视基础设施、网卡、数据采集系统、测试设备以及工业和医疗成像系统等等，不一而足。

对高速通信、高分辨率显示器、高性能音视频等功能不断增加的需求以及与日俱增的数字内容，对信号调理电路提出了更为严格的性能要求，特别是在数据转换器的要求上。

据市场分析公司Databeans的分析，2008年数据转换器市场比前一年增长了18％，并有望超越整个半导体行业的增长率。然而，2009年预计增长将大为放缓，仅仅为10％-12％。从长期来看，数据转换器市场在2013年之前将以11％的年复合增长率持续发展。增长最快的领域在通信以及医疗成像市场。

2013年数据转换器的单位出货量将从2008年的27亿美元增长至大约60亿美元。2012年该市场将从2006年的20亿美元增加至37亿美元。然而，因市场和金融危机所致，这些产品的平均售价有望下降。

这是一个非常有利可图的IC市场，因而吸引了许多新的进入者，尽管该市场仍然由大多数模拟供应商主宰。2008年ADI公司占据了整个数据转换器市场47％的份额，TI和Maxim以19％和10％的份额紧随其后。其它供应商包括凌力尔特、Fairchild、Intersil、ST以及美国国家半导体(NS)。最后要提一下，高性能数据转换器市场占有率在上升。2008年数据转换器市场占整个标准线性器件市场总销售收入的17％，并且大约相当于整个模拟器件市场的7％。

高性能数据转换

ADC(模数转换器)的选择是基于若干系统准则，如分辨率、转换速率、功率要求、物理尺寸、处理器兼容性以及接口结构。ADC必须具备足够的比特(bit)数以获得应用所需要的分辨率以及精度。

高速A／D转换器跟踪快速变化信号的方法是在各个时刻对信号幅度进行数字采样，它们已经成为了区分需要信号采集以及处理的各种高性能设计的根本组成部分。其特点在于具有高分辨率以及每秒千兆采样点的采样速度。

许多新兴的应用需要高速A／D转换器，以提供在处理高频输入信号中的更佳动态性能。例如，在无线基站中，数据转换确保获得出众的语音质量。高速A／D转换器是需要信号下行变换的通信系统的关键；在嵌入式和DSP处理中，最新一代的网络切换就需要外部高性能模拟元器件。数据转换器的性能要求与DSP的要求密切相关。实际上，大多数应用均采用DSP来处理由各种传感器采集的模拟信号中的信息。对ADC的选择常常也依赖于模拟信号被读出的方式。除了分辨率和速率之外，数据转换器的其他性能，如时钟系统以及电路板信号的布线对于最终应用也至关重要。

分辨率、转换速率以及功耗不再是选择A／D转换器的唯一准则，其它准则包括有效数字位(ENOB)、信噪比(sNR)、无杂散动态范围(SFDR)以及信道隔离度。例如，蜂窝基站对原始bit分辨率的要求就不如对SNR(它使得蜂窝信道数更多)以及SFDR(它允许在存在强干扰信号时检测出弱信号)的要求高。

目前上市的新一代ADC给新兴市场带来了更高的性能以及更低的成本。高速12bit转换器正首次向新兴的应用供货。例如，机顶盒需要10bit和12bit的分辨率，以及针对视频信号捕获的MHz级采样率。从设计和工艺技术的观点来看，这些ADC的性价比已经最优化。在高性能的A／D转换器中，噪声和功耗是关键的参数。

另一个重要的要求就是小外形。正是因为这一原因，数据转换器生产商也投资于先进的封装技术。

TI公司最近推出了业内第一款单信道D／A转换器家族，它以9C70封装供货，比标准的SOT23器件要小40％。其特点在于具有1.8V@80μA的低功耗，因此，这些器件对于电池供电和手持应用、自动测试设备、精密仪器、波形发生器、工业过程控制以及医疗设备是有吸引力的。

数据转换器制造商承诺针对特殊的应用推出产品。

通用器件与之相反，其特点在于采样速率要低一个数量级，并且更加适合监控系统以及采集诸如温度和电压这样的控制参数。这种元器件的一个例子就是ADI的AD7294ADC，它是一种高度集成的器件，提供了诸如电流、电压以及温度感测这样的通用目的监测应用所需要的所有功能。这种转换器在一个芯片上集成了对电流、电压和温度进行感测和控制所需要的全部功能。

为了获得所需要的性能，在确保时钟速度和精度以及PCB(印制电路板)设计时，要掌握高速数字、线性、RF(射频)以及一些仪器技术方面的设计技能。

为了实现上述目的，获得完整的参考设计是关键。

采用分立ADC，还是集成ADC

最近几年，模拟设计工程师也趋向于越来越多地采用系统级设计方法。

ADC越来越多地被实现在SoC(系统芯片)上，特别是用于移动通信系统的ADC。最新一代的消费和移动通信系统需要延长电池寿命，正是出于这一考虑，厂家制造了低压供电的SoC。因此，ADC也被集成进低压供电的SoC之中。

嵌入式数据转换器在消费电子应用中受到了欢迎，在该领域的应用中，至关重要的是以最小的空间来集成各种系统，但是，付出的代价是性能欠最优化。

市场存在越来越多地把混合信号数据转换器集成进SoC之中的需求。

这就给设计工程师提出了新的挑战：在数字域是专家的设计团队，在集成模拟IP的过程中面临新的挑战。进一步说，把混合信号数据转换器集成进SoC之中，满足所需要的性能，代表着一项充满挑战的任务，并且它会给项目引入高风险。

数据转换器代表着在模拟IP市场一个日益增长的领域。在市场上有大量的嵌入式转换器IP，其中，每一种嵌入式转换器IP均被设计为满足特定的用户需求。

例如，模拟与混合信号IP核提供商Cosmic Circuits公司已经宣布，其产品线中有超过20个A／D转换器核是用于监控应用的。其IP核产品线包括分辨率为8～10bit的A／D转换器，以及从200Ksps至20Msps的A／D转换器，它们通常被用于监控应用。这些A／D转换器的理想应用包括触摸屏控