模擬工程師將數(shù)字設(shè)計帶入現(xiàn)實(shí)生活

Sue Martenson/Andrew MacLellan

“數(shù)字革命”通過改造我們與周圍世界的關(guān)系已經(jīng)改變了我們通信、工作和旅行的方式。數(shù)字化電子設(shè)備通過各種便攜式的、容易訪問的交互式通信媒體構(gòu)成的巨大網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)改造了我們的世界?？焖俣鴾?zhǔn)確地從我們的周圍環(huán)境收集圖象、語音和音頻數(shù)據(jù)并且在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)管理和控制這些數(shù)據(jù)的能力已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了任何時間、任何地點(diǎn)的通信和提高性能的計算。數(shù)字化電子設(shè)備還產(chǎn)生了更可靠和更便宜的醫(yī)用電子設(shè)備。它為多樣性消費(fèi)類設(shè)備帶來了激動人心的、交互式的多媒體內(nèi)容?？偲饋碚f，上述的進(jìn)步已經(jīng)將我們生活的世界置于我們完全數(shù)字化的控制和管理之中。

但是，數(shù)字技術(shù)可信賴的優(yōu)勢只有當(dāng)它和模擬技術(shù)的能力一樣好時才能體現(xiàn)出來，模擬技術(shù)能夠忠實(shí)地將由 “1”和“0”表示的數(shù)字信號還原為人能夠聽、看、感覺或感知的模擬信號。

如果沒有重大而同步的模擬技術(shù)創(chuàng)新，那么數(shù)字革命的效果可能黯然失色。我們用數(shù)字方式撲獲信息的領(lǐng)域越多，我們必須完成的數(shù)模轉(zhuǎn)換和還原的數(shù)據(jù)就越多——不論是實(shí)時的語音傳輸、音頻信號還是視頻圖象。當(dāng)今蜂窩手機(jī)不斷減小外形尺寸并且不斷增加功能設(shè)置，高端汽車音響系統(tǒng)的聲音質(zhì)量以及廣播數(shù)字電視的高清晰度（HD）圖象不僅是智能電路設(shè)計、先進(jìn)制造工藝和高性能數(shù)字處理技術(shù)的產(chǎn)物，也是模擬設(shè)計不斷進(jìn)行革命的產(chǎn)物。

實(shí)際上，數(shù)以千計的終端市場和應(yīng)用中大量的數(shù)字產(chǎn)品已經(jīng)引起了同樣的、而且往往是成比例增大的對高質(zhì)量模擬技術(shù)的需求。例如，高速數(shù)字處理器（DSP）能使數(shù)字音頻接收器能夠通過增加多個音頻通道來提高其性能。但是，每個新的通道都需要一個獨(dú)立的功率放大器以便按照人耳容易分辨和舒適的方式驅(qū)動輸出信號。事實(shí)上，據(jù)DataBeans市場調(diào)查公司估計，為一個電子終端產(chǎn)品設(shè)計每增加一美元的數(shù)字集成電路（IC），同時就需要價值高達(dá)1.4美元的模擬IC。 

數(shù)字電子設(shè)備的迅速增長實(shí)際上更加驅(qū)動了對模擬IC的需求。在許多情況下，新的數(shù)字產(chǎn)品需要高集成度和高性能模擬IC達(dá)到新的水平，以便能夠轉(zhuǎn)換、調(diào)理和穩(wěn)定信號以及控制和給鏈路供電，從而決定當(dāng)今的高級系統(tǒng)功能。實(shí)際上，一些終端用戶在獲悉他們最喜愛的數(shù)字產(chǎn)品中的許多功能主要是由于模擬技術(shù)創(chuàng)新而不是數(shù)字電路時，可能會感到很驚訝。請考察下面的應(yīng)用趨勢和模擬技術(shù)正在推動和決定數(shù)字技術(shù)前景的發(fā)展路線：

•    數(shù)碼照相機(jī)：當(dāng)數(shù)碼照相機(jī)在15年以前進(jìn)入消費(fèi)類市場時，它開始著手滿足并并且超過35 mm電影膠片的質(zhì)量。雖然DSP和微控制器（MCU）處理技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)以數(shù)字方式為快速地處理圖象提供了所需的帶寬，但是那些圖象的質(zhì)量依賴數(shù)碼照相機(jī)模擬前端（AFE）中的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的能力來降低噪聲并且增大動態(tài)范圍。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步還使得AFE解決了其它常見的性能問題，例如降低功耗以延長電池的工作壽命，提高轉(zhuǎn)換采樣速率以提高照相機(jī)快門的速度，還有提高圖象傳感器的感光靈敏度以降低高分辨率照相機(jī)對閃光的要求。這些功能已經(jīng)使得一個典型的數(shù)碼照相機(jī)中的模擬半導(dǎo)體IC成本從幾年前的不到2美元增加到如今的超過5美元。下一代的數(shù)碼照相機(jī)可能需要價值高達(dá)15美元的模擬IC。

另外，模擬技術(shù)創(chuàng)新不僅僅提高了數(shù)碼照相機(jī)的性能，它還有助于產(chǎn)生多種新的照相機(jī)設(shè)計。例如，模擬技術(shù)和基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的傳感器相結(jié)合，為了避免拍照出模糊的照片，通過增加陀螺儀和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)用于補(bǔ)償照相機(jī)的“顫動”。

•    音頻處理：無論是處理家庭影院應(yīng)用中的杜比5.1通道環(huán)繞立體聲，還是高端汽車系統(tǒng)中的12通道音頻，當(dāng)今的音頻信號鏈日益數(shù)字化。但是，實(shí)際上，信號鏈僅僅是名義上“全數(shù)字”而已，因?yàn)榇罅康亩嗤ǖ酪纛l對模擬技術(shù)提出了新的性能要求。例如，多通道數(shù)字音頻結(jié)構(gòu)中存在固有的數(shù)字信號處理難題，需要設(shè)計工程師采用多個高性能模擬功率放大器來驅(qū)動揚(yáng)聲器和能夠轉(zhuǎn)換模擬音頻信號的音頻編解碼器，才能夠不犧牲，或者說“放棄”DSP的性能。
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另外在許多應(yīng)用中，將多通道音頻引入到越來越小的系統(tǒng)中，這就需要能夠以高效率工作的低功耗和低成本的模擬IC。即使大批量的消費(fèi)類音頻系統(tǒng)也需要一流的音頻轉(zhuǎn)換器以便保證數(shù)字處理器達(dá)到最高性能所需的高性能和精度性。

•    蜂窩手機(jī)：隨著蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施從2 G和2.5 G到更高性能的2.75 G和3 G業(yè)務(wù)升級，推動了新一代智能更高、功能更豐富的手機(jī)的發(fā)展。語音、視頻和數(shù)據(jù)的快速會聚允許設(shè)計工程師在下一代手機(jī)中增加這樣一些令人興奮的功能，例如MP3音樂和廣播電視。蜂窩手機(jī)市場已經(jīng)朝著各種方向發(fā)展，因?yàn)橹圃焐虅澐制洚a(chǎn)品系列以便滿足不同用戶的需求和習(xí)慣。但是，這些“數(shù)字”蜂窩手機(jī)中的功能也正在推動對新的模擬功能的需求。將高分辨率照相機(jī)集成到無線手機(jī)中的發(fā)展趨勢要求提高模擬圖象處理的性能、圖象穩(wěn)定性、聚焦和伸縮控制——以及支持這些功能所必需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和放大器。新的帶有易讀的彩色顯示屏，用戶界面更友好的手機(jī)需要先進(jìn)的液晶顯示屏（LCD）背光功率器件。而且因?yàn)樵O(shè)計工程師將新的語音、視頻和數(shù)據(jù)功能集成到這些平臺中并且要管理多達(dá)20種不同的穩(wěn)壓電壓，所以需要先進(jìn)的電源管理和電池充電IC來保證照相機(jī)的性能提高不會縮短電池的壽命。上述這些需求，再加上實(shí)現(xiàn)3 G手機(jī)中基本通信引擎所需的先進(jìn)的多頻帶、多模式射頻（RF）和模擬接口功能涉及到的挑戰(zhàn)，將使得無線手機(jī)中平均的模擬IC成本會在不久的將來從如今大約8美元上升到15美元以上。

•    醫(yī)學(xué)圖象處理：在衛(wèi)生保健領(lǐng)域，大量數(shù)字資源的可用性和從固定的系統(tǒng)向便攜式設(shè)備的轉(zhuǎn)變正在推動對各種新的高性能模擬IC的需求。例如，在醫(yī)學(xué)圖象處理應(yīng)用中，高速的數(shù)字計算允許醫(yī)生觀察高分辨率的CT掃描圖象和超聲設(shè)備圖象以便更快更準(zhǔn)確地評定重要器官或血管的狀況。但是要想巧妙地利用這些新的性能，設(shè)計工程師必須通過提高通道密度和改進(jìn)AFE性能來增強(qiáng)其產(chǎn)品的信號撲獲能力。

可變增益放大器（VGA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的最新進(jìn)展增大了動態(tài)范圍并且提高了圖象質(zhì)量，同時正交（I/Q）解調(diào)器和移相器IC提高了多普勒超聲波系統(tǒng)的性能。另外，通過將多種功能和多通道集成到一顆單芯片中，這些高性能的模擬器IC有助于設(shè)計工程師構(gòu)建出更小、更便攜的系統(tǒng)，因?yàn)轱@著減小了產(chǎn)品的外形尺寸和功耗?，F(xiàn)在分析家估計，二維（2-D）和三維（3-D）醫(yī)學(xué)圖象處理應(yīng)用將為模擬IC提供15億美元的市場。

•    高級電視：在大街上隨便問一個人，你都會聽到：雖然過去的電視都是模擬的，但是未來的電視將是數(shù)字的。雖然高清晰度電視和影院品質(zhì)音響的出現(xiàn)是因?yàn)閿?shù)字革命，但是新的模擬技術(shù)的采用和數(shù)字設(shè)計的創(chuàng)新一樣，也推動了高級電視的發(fā)展。即使在數(shù)字廣播的時代，電視機(jī)仍然需要兩種接口——數(shù)字接口和模擬接口——以支持傳統(tǒng)的錄像機(jī)（VCR）、DVD播放器和便攜式攝像機(jī)。支持多種接口標(biāo)準(zhǔn)——從標(biāo)準(zhǔn)的模擬接口到新興的高清晰度多媒體接口（HDMI）——的高集成度的接口IC將被用于滿足從模擬或數(shù)字輸入到先進(jìn)的平面顯示器連接的需求。高性能音頻處理器將有助于工程師將模擬聲音處理的任務(wù)轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域中。而且新的高集成度的后處理IC可以通過提高補(bǔ)償薄型平面電視的設(shè)計局限而提高音頻質(zhì)量。從上述對高性能模擬IC不斷增強(qiáng)的依賴性可以看出，如今一臺普通數(shù)字電視中采用的模擬IC成本大約為20美元，在今后幾年內(nèi)將增加到每臺大約60美元。

ADI公司認(rèn)識到，控制和管理現(xiàn)實(shí)世界中各種現(xiàn)象（例如光、聲音、運(yùn)動、壓力和溫度）所需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和前端信號處理技術(shù)對于創(chuàng)造一種有價值的終端用戶體驗(yàn)來說是非常重要的因素。

這是ADI公司從四十多年的設(shè)計和開發(fā)模擬信號、數(shù)字信號和混合信號技術(shù)以及培養(yǎng)深入了解我們客戶應(yīng)用需求的過程中而得到的經(jīng)驗(yàn)。ADI公司為各種應(yīng)用提供一流的性能——并且將其轉(zhuǎn)化為最佳的用戶體驗(yàn)。ADI公司的創(chuàng)新通過提高集成度、減小封裝尺寸、降低功耗，還降低了系統(tǒng)成本。這是滿足能使數(shù)字設(shè)計如此流行的大眾市場成本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

這條成熟的經(jīng)驗(yàn)——不斷擴(kuò)展產(chǎn)品種類和開發(fā)支持工具使ADI公司的工程師提高最關(guān)鍵之處的性能。ADI公司通過保證為客戶的應(yīng)用提供最合適的IC，能夠使工程師將其數(shù)字設(shè)計的全部潛能帶到現(xiàn)實(shí)生活中。