消费者期望驱动数据转换设计的发展

Ｎｉｔｉｎ　Ｓｈａｒｍａ

摘要：∑-△数据转换架构可以弥补流水线型和SAR架构的性能差距，将为新一代的高性能和低成本终端解决方案打开一道大门。

关键词：数据转换；∑-△；流水线型；SAR；采样率；ADC

未来一年中，蜂窝通信、医疗成像、消费娱乐以及其它一些终端市场对性能不断增加的需求将催生一种新型的数据转换架构，即连续时间∑-△架构(CTSD)，该架构在不牺牲速度的条件下提供了优异的分辨率。在许多重要的终端应用中都将受益于这种架构的优点。例如，蜂窝基站可以捕获较宽的频谱，同时还能保持出色的分辨率，以便能够在有超强信号时对其他微弱的信号进行捕获。这样一来，将降低手机用户在更广的区域里的掉话率。

的确，数据转换器(ADC)在非常广泛的电子系统中起着至关重要的作用，而且这个范围还在不断扩大。无论是医疗成像、工业还是消费电子领域，从数字X光机到高清电视、GPS设备以及游戏机，数据转换器都能提升终端用户的体验。

过去，业界采用了各种的模数转换架构，这些架构要么提供不错的分辨率，要么提供更高的转换速度(或采样率)。换句话说，这里面都隐含着一个假定，即利用同一ADC同时实现极高的分辨率和超高速度是不可能的。例如，当今最快的ADC，采样率可以达到1GHz到2GHz，但分辨率通常限制到8位。另一方面，能够提供18位乃至24位分辨率的转换器，其采样率却只能达到1MHz到2MHz，对于24位ADC甚至更低。

如今的ADC：在速度和分辨率之间进行折衷

在CTSD架构出现之前，系统工程师都有明确的一系列选择。当采样率超过几MHz时，他们将选用流水线型ADC，此类ADC采用多级架构，各级连续、并行地进行一位到数位的采样。在某个特定时钟的每个周期的末尾，某指定级的输出将传递到下一级，从而将新数据转移到该级。通过将各级得到的数据位联接到一起就得到最终的多位结果。

过去的几年里，设计师推动了流水线架构的采样速度和分辨率的提高。如今已经可以获得采样率从几MSPS到100MSPS以上，分辨率从8位到16位的转换器。根据研究机构Databeans公司的调查，在整个ADC市场上，流水线型ADC应用最广泛，高达40％，其应用范围从CCD成像、超声波医疗成像系统到蜂窝基站，以及像HDTV这类的消费数字视频应用。

另一方面，当应用需要更高分辨率、采样率低于约10MSPS时，逐次逼近型(SAR)ADC通常是优选方案。此类器件采用了二进制搜索算法来使信号收敛。为了处理快速变化的信号，SAR ADC具有采样一保持(SHA)功能，这样在转换期间可以保持输入信号不变。

SAR转换器能够提供8到18位的分辨率，而采样率可以高达10MSPS，广泛用于要求低噪声、低功耗和封装紧凑的系统中。典型应用包括工业控制、多通道数据采集、便携式／电池供电的仪器等。该架构能以中等速率高精度地处理数据，故在工业和医疗应用系统中发挥着关键的作用。

弥合性能差距

流水线型和SAR ADC在数据转换器市场上继续保持着重要地位，在未来的若干年中仍将如此。尽管它们各具不同特点，但这两种广泛应用的ADC架构都有性能上的不足。流水线型ADC架构能够在更高的带宽上提供出色性能，而SAR ADC则在低噪声和低功耗方面更胜一筹，迄今为止还没有哪一种ADC架构能够实现这两种性能的完美结合。然而在移动基础设施、医疗、视频、仪器和测试测量的新兴应用中，要求ADC能同时实现这些性能。例如像MRI(核磁共振)系统这类的医疗应用，就要求极高的分辨率，以便获得更精密的诊断结果。此外，在所有的应用中，低功耗特性也变得越来越重要。

CTSD ADC正在弥合这些性能差距。这种新技术采用了过采样和噪声整形的基本原理，还利用了一种创新的连续时间环路滤波架构来实现低噪声和高带宽。

这种新架构与传统的流水线型和SAR器件在几个方面都有很大不同：CTSD ADC采用连续时间积分器，而非离散时间积分器或电路；另外，CTSD ADC的采样发生在位于量化器中的环路滤波器的输出，而非ADC的输入端；最后，与具有均匀分布的量化噪声的流水线型和SAR架构不同，CTSD ADC中的环路滤波器将带内的量化噪声移至带外。这些特性使得CTSD具有非常低的噪声和高的带宽，并且ADC输入端的滤波要求更加宽松。

ADI公司正在采用这种新架构开发带宽高达10MHz，动态范围高达86dB，而噪声系数仅为15dB的ADC器件。CTSD架构中固有的独特性能，将使设计师可以大大减少、甚至完全不用再采用传统信号链中通常所需的基带滤波器、驱动放大器和自动增益控制。此外，通过在片上集成可编程带宽抽取滤波器、采样率转换器和时钟倍频器，这种新型器件实现了更简单的信号链，从而系统成本大大降低。所有这些优点使系统设计师可以利用CTSD ADC来构建一个新的信号链，为无线基础设施、医疗成像、以及工业和仪器市场上一系列广泛应用提供大量的性能优势。

如今，从无线通信、工业到仪器和消费电子，各类终端应用中不断升高的性能需求，为系统设计师如何选择数据转换器带来了重大挑战。显然，基于流水线型和SAR架构的明确性能优势使得它们将继续在许多应用中得到选用。然而，能够弥合上述两种主要数据转换架构性能差距的CTSD技术的出现，将为新一代的高性能和低成本终端解决方案打开一道大门。