David H. Robertson

作為“現(xiàn)實世界”模擬域與數(shù)字世界1和0之間的網(wǎng)關，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代信號處理的關鍵要素。在過去的三十年中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的眾多創(chuàng)新不僅使從醫(yī)學成像到蜂窩通信再到消費者音頻和視頻的性能和架構(gòu)都取得了進步，還有助于創(chuàng)建全新的應用。

寬帶通信和高性能成像應用的不斷擴展特別強調(diào)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：能夠處理帶寬為10 MHz至1 GHz以上的信號的轉(zhuǎn)換器。各種轉(zhuǎn)換器架構(gòu)被用于達到這些更高的速度，每種架構(gòu)都有特殊的優(yōu)勢。高速在模擬域和數(shù)字域之間來回移動也給信號完整性帶來了一些特殊的挑戰(zhàn)——不僅對于模擬信號，而且對于時鐘和數(shù)據(jù)信號也是如此。了解這些問題不僅在組件選擇中很重要，甚至會影響整體系統(tǒng)架構(gòu)的選擇。

圖1.

更快，更快，更快

在許多技術領域，我們已經(jīng)將技術進步與更快的速度聯(lián)系起來：從以太網(wǎng)到無線LAN再到蜂窩的數(shù)據(jù)通信都是為了更快地移動比特。微處理器、數(shù)字信號處理器和FPGA通過時鐘速率的進步而大幅發(fā)展。它們主要通過縮小工藝光刻來實現(xiàn)，這些光刻提供了更小的晶體管，可以更快地切換（并且功耗更低）。這些動態(tài)創(chuàng)造了一個處理能力和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級增長的環(huán)境。這些強大的數(shù)字引擎對要處理的信號和數(shù)據(jù)的需求呈指數(shù)級增長：從靜止圖像到視頻，再到寬帶頻譜，無論是有線還是無線。以 100 MHz 運行的處理器可能能夠有效地處理帶寬為 1 MHz 至 10 MHz 的信號：以多個 GHz 時鐘速率運行的處理器可以處理帶寬為數(shù)百 MHz 的信號。

更高的處理能力和速度自然會導致更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：寬帶信號擴展其帶寬（通常達到物理或監(jiān)管機構(gòu)設定的頻譜限制），成像系統(tǒng)希望每秒處理更多像素以更快地處理更高分辨率的圖像。系統(tǒng)正在重新架構(gòu)，以利用這種極端的處理能力，包括并行處理的趨勢，這可能意味著多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

另一個重要的架構(gòu)變化是多載波/多通道甚至軟件定義系統(tǒng)的趨勢。傳統(tǒng)的模擬密集型系統(tǒng)在模擬域中完成大部分信號調(diào)理工作（濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換）;信號在經(jīng)過精心準備后以數(shù)字方式拍攝。這方面的一個例子是調(diào)頻收音機：給定的廣播電臺將是一個 200 kHz 寬的頻道，位于 88 MHz 到 108 MHz 的 FM 收音機頻段的某個地方。傳統(tǒng)接收器將目標電臺的頻率轉(zhuǎn)換為10.7 MHz中頻，濾除所有其他通道，并將信號放大到最佳幅度以進行解調(diào)。多載波架構(gòu)將整個20 MHz FM頻段數(shù)字化，數(shù)字處理用于選擇和恢復感興趣的無線電臺。雖然多載波方案需要更復雜的電路，但它提供了一些巨大的系統(tǒng)優(yōu)勢：系統(tǒng)可以同時恢復多個電臺，包括邊帶站。如果設計得當，多載波系統(tǒng)甚至可以通過軟件重新配置以支持新標準（例如，放置在無線電邊帶中的新高清無線電臺）。這種方法的最終擴展是擁有一個可以接收所有頻段的寬帶數(shù)字化儀，以及一個可以恢復任何類型信號的強大處理器：這被稱為軟件定義無線電。其他領域也有等效的架構(gòu)——軟件定義儀器、軟件定義相機等?？梢詫⑵湟暈橄喈斢谔摂M化的信號處理。這些靈活架構(gòu)的使能硬件是強大的數(shù)字處理和高速、高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖2.多承運人示例

帶寬和動態(tài)范圍

無論是模擬還是數(shù)字信號處理，信號處理的基本維度都是帶寬和動態(tài)范圍，這兩個因素決定了系統(tǒng)實際可以處理多少信息。對于通信，克勞德·香農(nóng)定理使用這兩個維度來描述通信渠道中可以攜帶多少信息的基本理論極限，但這些原則適用于各種制度。對于成像系統(tǒng)，帶寬決定了在給定時間內(nèi)可以處理的像素數(shù)，動態(tài)范圍決定了最暗的可感知光源與像素飽和點之間的強度或顏色范圍。

圖3.信號處理的基本維度

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用帶寬有一個由奈奎斯特采樣定理設定的基本理論極限——要表示或處理帶寬為 F 的信號，需要以至少 2 F 的采樣速率運行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（請注意，該定律適用于任何采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)——無論是模擬還是數(shù)字）。對于實際系統(tǒng)，一定量的過采樣大大簡化了系統(tǒng)設計，因此2.5×至3×的信號帶寬更為典型。如前所述，不斷提高的處理能力提高了系統(tǒng)處理更大帶寬的能力，蜂窩電話、電纜系統(tǒng)、有線和無線 LAN、圖像處理和儀器儀表的系統(tǒng)趨勢正在轉(zhuǎn)向更多的寬帶系統(tǒng)。這種對帶寬日益增長的需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有更高的采樣速率。

如果帶寬維度直觀清晰，則動態(tài)范圍維度可能不太明顯。在信號處理中，動態(tài)范圍表示系統(tǒng)無需縫合或削波即可處理的最大信號與系統(tǒng)可以有效捕獲的最小信號之間的擴散?？梢钥紤]兩種類型的動態(tài)范圍：浮點動態(tài)范圍可以通過低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）前面的可編程增益放大器（PGA）來實現(xiàn)（想象一下8位轉(zhuǎn)換器前面的12位PGA用于<>位浮點動態(tài)范圍）：當增益設置為低時，這種安排可以捕獲大信號，而不會使轉(zhuǎn)換器過量程。當信號非常小時，可以將PGA設置為高增益，以放大高于轉(zhuǎn)換器本底噪聲的信號。信號可以是強或弱的無線電臺，也可以是成像系統(tǒng)中的明亮或昏暗像素。這種浮點動態(tài)范圍對于一次只嘗試恢復一個信號的傳統(tǒng)信號處理架構(gòu)非常有效。

瞬時動態(tài)范圍更強大：在這種安排中，系統(tǒng)具有足夠的動態(tài)范圍，可以同時捕獲大信號而不會削波，并且仍然可以恢復小信號 - 現(xiàn)在我們可能需要一個14位轉(zhuǎn)換器。這一原則適用于許多應用——恢復強弱的無線電臺或手機呼叫信號，或者一個圖像中非常明亮和非?；璋档牟糠?。隨著系統(tǒng)希望轉(zhuǎn)向更復雜的信號處理算法，人們傾向于需要更大的動態(tài)范圍。這允許系統(tǒng)處理更多信號——如果所有信號強度相同，并且您需要處理兩倍的信號，那么您需要增加 3 dB 的動態(tài)范圍（所有其他條件相同）。也許更重要的是，如前所述，如果系統(tǒng)需要同時處理強信號和弱信號，則動態(tài)范圍要求的提高可能會更加劇烈。

動態(tài)范圍的不同測量

在數(shù)字信號處理中，動態(tài)范圍的關鍵參數(shù)是信號表示中的位數(shù)或字長：32位處理器比16位處理器具有更大的動態(tài)范圍。太大的信號會被削波——這是一種高度非線性的操作，會破壞大多數(shù)信號的完整性。太小的信號（幅度小于1 LSB）變得無法檢測到并丟失。這種有限的分辨率通常被稱為量化誤差或量化噪聲，并且可能是確定可檢測性下限的一個重要因素。

量化噪聲也是混合信號系統(tǒng)中的一個因素，但有許多因素可以決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動態(tài)范圍，每個因素都有自己的規(guī)格：

信噪比 （SNR） — 轉(zhuǎn)換器滿量程與頻帶內(nèi)總噪聲之比。這種噪聲可能來自量化噪聲（如上所述）、熱噪聲（存在于所有現(xiàn)實世界系統(tǒng)中）或其他誤差項（如抖動）。

靜態(tài)非線性 - 微分非線性。（DNL）和積分非線性（INL）—測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從輸入到輸出的直流傳遞函數(shù)的非理想性（DNL通常確定成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍）。

總諧波失真——靜態(tài)和動態(tài)非線性產(chǎn)生諧波音，可以有效地屏蔽其他信號。THD經(jīng)常限制音頻系統(tǒng)的有效動態(tài)范圍

無雜散動態(tài)范圍 （SFDR） — 考慮與輸入信號相比的最高頻譜雜散，無論是二次諧波還是三次諧波時鐘饋通，甚至是 60 Hz 嗡嗡聲。由于頻譜音或雜散可以屏蔽小信號，SFDR可以很好地表示許多通信系統(tǒng)中的可用動態(tài)范圍。

還有其他規(guī)格——事實上，每個應用可能都有自己對動態(tài)范圍的有效描述。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率是其動態(tài)范圍的良好首選指標，但選擇正確的規(guī)格作為真正的決定非常重要。關鍵原則是越多越好。雖然許多系統(tǒng)立即認識到在信號處理中需要更大的帶寬，但對動態(tài)范圍的影響可能不那么明顯，但要求更高。

值得注意的是，雖然帶寬和動態(tài)范圍是信號處理的兩個主要維度，但考慮效率的第三個維度是有用的：這有助于我們回答“額外的性能將花費我多少？我們可以從購買價格的角度來考慮成本，但數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他電子信號處理在技術上更純粹的重量成本方法是功耗。性能更高的系統(tǒng)（具有更多帶寬或更大動態(tài)范圍的系統(tǒng)）往往會消耗更多的功率。隨著技術的進步，我們希望提高帶寬和動態(tài)范圍，降低功耗。

主要應用

如前所述，每個應用在基本信號尺寸方面都有不同的要求，并且在給定的應用中可以有廣泛的性能。例如，考慮 1 萬像素相機與 10 萬像素相機。圖4提供了一些不同應用中通常需要的帶寬和動態(tài)范圍的代表性說明。此圖表的上半部分通常被描述為高速轉(zhuǎn)換器，采樣率為 25 MHz 或更高，可以有效處理 10 MHz 或更高的帶寬。

圖4.繪制了一些典型應用，以顯示其在帶寬（速度）和動態(tài)范圍（分辨率位）方面的要求

值得注意的是，此應用程序圖片不是靜態(tài)的?，F(xiàn)有應用可以利用新的、更高性能的技術來提高其功能，例如高清攝錄一體機或更高分辨率的 3D 超聲機器。每年都有全新的應用出現(xiàn)，其中大部分新活動將位于性能前沿的外緣：通過高速和高分辨率的新組合來實現(xiàn)。這創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換器性能的擴展優(yōu)勢，就像池塘中的漣漪一樣。

同樣重要的是要記住，大多數(shù)應用都關注功耗：對于便攜式/電池供電應用，功耗可能是主要技術限制，但即使是線路供電系統(tǒng)也發(fā)現(xiàn)信號處理元件（無論是模擬還是數(shù)字）的功耗最終限制了系統(tǒng)在給定物理區(qū)域內(nèi)的完成程度。

技術趨勢和創(chuàng)新——我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)這一目標 . . .

鑒于這種應用對提高高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的拉動，業(yè)界已經(jīng)以技術的持續(xù)進步作為回應。對先進高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術推動來自幾個因素：

工藝技術：摩爾定律和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——半導體行業(yè)在不斷提高數(shù)字處理能力方面有著非凡的記錄，這在很大程度上是由晶圓加工向更精細的光刻技術的進步推動的。深亞微米CMOS晶體管的開關速度比其前代產(chǎn)品高得多，使控制器、數(shù)字處理器和FPGA能夠以多GHz的速度時鐘。像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器這樣的混合信號電路也可以利用這些光刻技術的進步，并“駕馭摩爾定律”到更高的速度，但對于混合信號電路，有一個缺點：更先進的光刻工藝往往在越來越低的電源電壓下工作。這意味著模擬電路中的信號擺幅較小，使得將模擬信號保持在熱本底噪聲之上變得更加困難：以降低動態(tài)范圍為代價獲得更高的速度。

先進的架構(gòu)（這不是您祖母的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）——作為半導體工藝進步的補充，過去 20 年來，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)出現(xiàn)了幾波創(chuàng)新浪潮，有助于實現(xiàn)更大的帶寬和更大的動態(tài)范圍以及卓越的電源效率。傳統(tǒng)上用于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法多種多樣，包括閃光、折疊、交錯和流水線，這些方法仍然非常流行。它們加入了傳統(tǒng)上與低速應用相關的架構(gòu)，包括逐次逼近寄存器（SAR）和?-∑，這些架構(gòu)已經(jīng)創(chuàng)造性地適應了高速使用。每種架構(gòu)都有自己的優(yōu)點和缺點：某些應用程序傾向于根據(jù)這些權衡找到最喜歡的架構(gòu)。對于高速DAC，首選的架構(gòu)往往是開關電流模式結(jié)構(gòu)，盡管這些結(jié)構(gòu)有許多變體，開關電容方法一直在穩(wěn)步提高其速度，并且在一些嵌入式高速應用中仍然特別受歡迎。

數(shù)字輔助方法——除了工藝和架構(gòu)之外，多年來高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電路技術也出現(xiàn)了相當多的創(chuàng)新。校準方法已經(jīng)存在了幾十年，在補償集成電路固有的元件失配和允許電路達到更高的動態(tài)范圍方面至關重要。校準已經(jīng)超越了校正靜態(tài)誤差的領域，越來越多地用于補償動態(tài)非線性，包括建立誤差和諧波失真。

綜上所述，這些領域的創(chuàng)新大大推動了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的最新技術。

讓它發(fā)揮作用

實現(xiàn)寬帶混合信號系統(tǒng)需要的不僅僅是正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這些系統(tǒng)可能對信號鏈的其他部分提出嚴格的要求。同樣，挑戰(zhàn)在于在寬帶寬上實現(xiàn)良好的動態(tài)范圍 - 讓更多信號進出數(shù)字域，以利用那里的處理能力。

寬帶信號調(diào)理—在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，信號調(diào)理是盡快去除不需要的信號，然后放大所需的信號。這通常涉及選擇性濾波和針對目標信號調(diào)諧的窄帶系統(tǒng)。這些調(diào)諧電路在實現(xiàn)增益方面非常有效，在某些情況下，可以使用頻率規(guī)劃技術來確保諧波或其他雜散落出帶外。寬帶系統(tǒng)不能使用這些窄帶技術，在這些系統(tǒng)中實現(xiàn)寬帶放大可能非常具有挑戰(zhàn)性。

數(shù)據(jù)接口（傳統(tǒng)CMOS接口無法支持遠大于100 MHz的數(shù)據(jù)速率），低電壓差分擺幅（LVDS）數(shù)據(jù)接口的運行頻率高達800 MHz至1 GHz。對于更大的數(shù)據(jù)速率，可以切換到多個總線接口，或移動到SERDES接口?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用高達12.5 GSPS的SERDES接口（如JESD204B標準中規(guī)定）——轉(zhuǎn)換器接口中可以使用多個數(shù)據(jù)通道來支持不同的分辨率和速度組合。這些接口本身可能非常復雜。

時鐘接口—處理高速信號對系統(tǒng)所用時鐘的質(zhì)量也要求很高。時域中的抖動/誤差轉(zhuǎn)化為信號中的噪聲或誤差，如圖5所示。為了處理大于100 MHz的信號，時鐘抖動或相位噪聲可能成為轉(zhuǎn)換器可用動態(tài)范圍的限制因素。數(shù)字質(zhì)量時鐘可能不足以滿足這些類型的系統(tǒng)，可能需要高性能時鐘。

圖5.時鐘誤差如何變成信號誤差

結(jié)論

寬帶信號和軟件定義系統(tǒng)的趨勢正在加速，業(yè)界不斷提出創(chuàng)新的新方法來構(gòu)建更好、更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，將帶寬、動態(tài)范圍和功率效率的維度推向新的基準。

審核編輯：郭婷