數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的衡量標(biāo)準(zhǔn)：演進(jìn)歷程

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有意義的衡量方法是什么？就數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器自身而言，它是相當(dāng)容易定義的。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將連續(xù)的電信號(hào)（即模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)碼字〔以比特（bit）為單位〕或反過(guò)來(lái)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)碼字轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬信號(hào)。這樣的轉(zhuǎn)換過(guò)程是我們周圍的真實(shí)世界和我們用以監(jiān)測(cè)、分析、控制的計(jì)算機(jī)世界之間的至關(guān)重要的連接。其中最困難和有發(fā)展意義的問(wèn)題是如何為這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器定義重要的性能指標(biāo)。

設(shè)計(jì)工程師往往喜歡事情簡(jiǎn)單，所以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)歷史上曾經(jīng)簡(jiǎn)化為分辨率位數(shù)（N）和采樣速率（Fs）。一般來(lái)說(shuō)，分辨率高好，如果采樣速率也高就更好。盡管這種衡量方法很簡(jiǎn)單，但是在初期它還是準(zhǔn)確的，因?yàn)樗袭?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線的要求。幾年過(guò)后，我們看到數(shù)據(jù)總線從16 bit發(fā)展到32 bit再到64 bit，同時(shí)處理器速度從MHz范圍提高到GHz范圍。長(zhǎng)期以來(lái)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器只是適應(yīng)與數(shù)字技術(shù)不斷增加的數(shù)據(jù)處理能力相匹配。

然而，對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換世界來(lái)說(shuō)，采用簡(jiǎn)單的分辨率和采樣速率的衡量方法正在發(fā)生變化。許多應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的需求推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)不再像以往那樣快速增長(zhǎng)了。因此，創(chuàng)新的焦點(diǎn)已經(jīng)擴(kuò)大到包括效率、尺寸和成本在內(nèi)的多種因素。雖然分辨率和采樣速率仍然是性能的關(guān)鍵因素，但是當(dāng)今的應(yīng)用需要對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)有更深的理解以實(shí)現(xiàn)成功的電子設(shè)計(jì)。

通過(guò)類比方式我們可以理解上述情況。請(qǐng)想象有一家這樣的汽車制造商，它制造出了市場(chǎng)上最快的跑車，并宣稱成為汽車行業(yè)的領(lǐng)先者。這樣的宣稱對(duì)于賽車愛(ài)好者來(lái)說(shuō)可能是對(duì)的，但是對(duì)絕大多數(shù)公眾來(lái)說(shuō)沒(méi)什么意義。這對(duì)于關(guān)注燃油價(jià)格上漲和期待提高效率的客戶會(huì)怎樣呢？這對(duì)于需要足夠空間以承載5位家人和他們的狗的家庭會(huì)怎樣呢？這對(duì)于需要運(yùn)載相當(dāng)沉重貨物的工人會(huì)怎樣呢？雖然Humvee®高機(jī)動(dòng)性多用途輪式車輛具有有用的功能，但是在我們的高速公路和城市街道上它可能沒(méi)用。

在商業(yè)界，不論是汽車還是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，都必須根據(jù)客戶的需求來(lái)定義創(chuàng)新。成功來(lái)自于開(kāi)發(fā)出解決客戶當(dāng)前問(wèn)題的最好產(chǎn)品，能夠提供全新的應(yīng)用并且永遠(yuǎn)保持其重要作用。雖然這種開(kāi)闊的工程視角增加了衡量某種產(chǎn)品性能指標(biāo)的復(fù)雜性，但是它使衡量成功的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單了：增加市場(chǎng)份額。

總結(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的需求可化分為三方面，其中每一方面都需要?jiǎng)?chuàng)新和繼續(xù)發(fā)展的承諾。這三方面是性能指標(biāo)、成本和選擇寬度。

性能創(chuàng)新
高性能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域經(jīng)常反復(fù)提到的術(shù)語(yǔ)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電性能有4項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)：采樣速率、直流（DC）（或靜態(tài)）精度、交流（AC）（或動(dòng)態(tài)）精度和功耗。這些指標(biāo)相對(duì)的重要性依賴于具體應(yīng)用，而大多數(shù)應(yīng)用都對(duì)所有這些特性具有一定的靈敏度。

采樣速率（Fs）也被稱作轉(zhuǎn)換速率、編碼速率或者刷新速率。它是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將一個(gè)數(shù)碼字鏈接到模擬信號(hào)的速度的一種度量，它以每秒采樣次數(shù)（SPS）為單位表示。奈奎斯特準(zhǔn)則表明對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行采樣的速率必須至少為有用信號(hào)帶寬（BW）的兩倍；所以采樣速率越高就能提供越寬的可用信號(hào)帶寬。例如，要捕獲或產(chǎn)生一個(gè)50 MHz的信號(hào)需要一個(gè)采樣速率為100 MSPS或更高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。顯然，采樣速率越高，困難也就越大，因?yàn)槠潆娐繁仨氃诟痰臅r(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換操作。

DC精度經(jīng)常以分辨率的bit數(shù)或位數(shù)（N）表示，而模擬信號(hào)的滿度范圍（FS）由下式給出：
FS=數(shù)字轉(zhuǎn)換的步數(shù)=2N－1 （1）

所以一個(gè)10bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將有1023個(gè)有效數(shù)碼字，并且每個(gè)數(shù)碼字的最低有效位（LSB）的權(quán)重為1/1023。我們必須特別注意“分辨率”與“DC精度”是不同的概念。轉(zhuǎn)換器的精度是數(shù)碼字與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換步數(shù)的模擬信號(hào)之間的一致性程度的一種度量，規(guī)定用微分線性誤差（DNL）和積分線性誤差（INL）來(lái)表征。其中DNL是每一步轉(zhuǎn)換的實(shí)際值與理想值之間的偏差程度的一種度量，INL是完成全部轉(zhuǎn)換的每一步轉(zhuǎn)換誤差的積分。這兩項(xiàng)指標(biāo)通常都以LSB的份數(shù)的形式來(lái)表示。

分辨率和精度之間的差異的意義是很重要的。例如，當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都具有12bit的相同分辨率時(shí)，但是其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器可能只有10bit的精度（2LSB的DNL或INL誤差），而另一個(gè)轉(zhuǎn)換器可能具有14bit的精度（0.125 LSB的DNL或INL）。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到這兩種轉(zhuǎn)換器具有不一樣的性能。還需要弄清楚的是，即使增加分辨率bit數(shù)而達(dá)不到這些增加的bit數(shù)所提高的精度，也不能達(dá)到提高精度的目的。

數(shù)字示波器提供了一個(gè)很好例子，這個(gè)問(wèn)題是由于分辨率和精度概念混淆而產(chǎn)生的。大多數(shù)示波器都使用8bit ADC來(lái)采樣有用信號(hào)。8bit分辨率很適合這種應(yīng)用，而這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師希望ADC有9 bit（0.25 LSB）的精度。這是因?yàn)槿庋劭煞直?～8bit的精度，所以如果使用低于真正8bit精度的8bit ADC，那么使用該示波器的用戶可從顯示屏上觀測(cè)這些誤差。

AC精度可用信噪比（SNR）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）兩項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)表示。因?yàn)橄鄬?duì)模擬信號(hào)的頻率來(lái)度量這兩項(xiàng)性能指標(biāo)，因此它們代表了動(dòng)態(tài)性能。SNR是轉(zhuǎn)換器的噪聲功率對(duì)有用信號(hào)影響程度的一種度量。它告訴用戶在不使用平均處理方法的條件下能立即檢測(cè)（ADC）或產(chǎn)生（DAC）小信號(hào)的程度。這項(xiàng)性能指標(biāo)的最大值受待測(cè)轉(zhuǎn)換器的分辨率（N）限制，并且以dB為單位由下式表示：

SNR=6.02×N+1.8 （2 ）

SFDR是使用大量采樣和平均處理方法對(duì)可檢測(cè)到小信號(hào)程度的一種度量。SFDR受待測(cè)轉(zhuǎn)換器的DC精度限制，并且提供對(duì)隨信號(hào)頻率的增加保持精度程度的一種度量。所以在上述的12 bit ADC例子中，雖然每個(gè)ADC有同樣的SNR指標(biāo)，但是它們的SFDR性能有很大差別。

當(dāng)討論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器精度時(shí)，一個(gè)跟蹤和比較的有趣性能指標(biāo)是有效位數(shù)（ENOB）。在低輸入頻率時(shí)ENOB可用來(lái)反映DC精度，而在高輸入頻率時(shí)它可用來(lái)反映AC精度與頻率的關(guān)系。ENOB與SNR的表達(dá)式相似，表達(dá)如下：

SNDR=6.02×ENOB+1.8 （3）

SNDR(信納比)代表信號(hào)（S）與噪聲(N)加失真（D）的比率，即S/(N+D)。通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換器有多少噪聲和失真加到用信號(hào)中，等效ENOB可提供對(duì)轉(zhuǎn)換器精度的一種平均度量方法。

蜂窩基站是一個(gè)重視數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AC精度的很好的應(yīng)用實(shí)例。這些基站需要按照非常嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)。動(dòng)態(tài)范圍小的ADC不能檢測(cè)出淹沒(méi)在強(qiáng)烈干擾中的微弱信號(hào)。失真性能差的DAC會(huì)在工作頻譜中的其它信道內(nèi)產(chǎn)生雜散信號(hào)，因而不能滿足通信行業(yè)的要求。

定義實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的最后一項(xiàng)重要參數(shù)是功耗。功率不常在性能參數(shù)中被引用，但是如果功率不達(dá)標(biāo)，許多上述的性能指標(biāo)都很容易受到強(qiáng)制性破壞。不幸的是，我們?cè)絹?lái)越趨于生活在一個(gè)便攜式電子設(shè)備的時(shí)代。當(dāng)談到數(shù)碼相機(jī)與攝像機(jī)、蜂窩電話以及個(gè)人音頻和視頻播放器時(shí)電池工作壽命是用戶需要的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。功率也是與電池工作壽命無(wú)關(guān)的許多系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于可能有大電源供電的系統(tǒng)，其大的功率消耗會(huì)產(chǎn)生散熱管理問(wèn)題，從而可能會(huì)影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其材料成本。因此ADC和DAC的功耗性能指標(biāo)成為選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器日益重要的參數(shù)。

大多數(shù)行業(yè)都制定品質(zhì)因數(shù)（FOM）來(lái)跟蹤其關(guān)注領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器也不例外。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，一種很重要的FOM表達(dá)如下：

FOM=SNDR+10Log(BW/Power) （4）

其中BW表示帶寬，Power表示功率。

雖然有幾種FOM定義，它們以稍微不同的方式表達(dá)這些度量，但是本文的目的不是討論其細(xì)微差異或者做出其優(yōu)選評(píng)論。上述引用的FOM包含了給定器件的速度、精度（包括DC精度和AC精度）和功耗指標(biāo)，以給出一個(gè)總平價(jià)。這個(gè)信息表明，從根本上說(shuō)設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)折衷的過(guò)程。為了優(yōu)化一項(xiàng)性能指標(biāo)而犧牲其它的指標(biāo)可能會(huì)滿足某些用戶的極限需求，但是它不再可能提高該轉(zhuǎn)換器的總性能指標(biāo)。

成本創(chuàng)新
對(duì)于為某項(xiàng)應(yīng)用確定一個(gè)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)工程師，應(yīng)當(dāng)首要關(guān)注的是轉(zhuǎn)換器的性能，其次是轉(zhuǎn)換器的成本。當(dāng)然，轉(zhuǎn)換器的成本是很實(shí)在的，并且很容易對(duì)轉(zhuǎn)換器之間和廠家之間的價(jià)格進(jìn)行比較，但是成本創(chuàng)新的問(wèn)題絕非僅僅是降低IC的價(jià)格問(wèn)題。

成本創(chuàng)新包括生產(chǎn)廠家的總成本。它考慮了使用給定轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)難度。該器件的技術(shù)資料完整嗎？真的提供適合該器件的設(shè)計(jì)工具嗎？該器件供應(yīng)商提供應(yīng)用支持，提供對(duì)該器件基本知識(shí)支持和提供對(duì)其深入應(yīng)用支持嗎？一個(gè)沒(méi)有設(shè)計(jì)支持的低成本器件可能并不如它看上去那樣劃算。

成本創(chuàng)新的考慮還必須包括產(chǎn)品及其替代器件的最終成本。該器件的魯棒性好嗎？該器件經(jīng)過(guò)合格測(cè)試并且測(cè)試的是保證符合最低性能的主要指標(biāo)嗎？最后，該器件有開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品的發(fā)展路線圖嗎？也就是，能提供該轉(zhuǎn)換器的滿足客戶未來(lái)產(chǎn)品需求的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線嗎？

許多促進(jìn)轉(zhuǎn)換器消費(fèi)的應(yīng)用不是由轉(zhuǎn)換器的先進(jìn)性能水平來(lái)推動(dòng)的。一般的電子產(chǎn)品都快速地從可行性生產(chǎn)發(fā)展到大批量生成再發(fā)展到下一代產(chǎn)品。每一代產(chǎn)品都期望欲降低（降低功耗，減小尺寸，節(jié)省成本）而提高（增加功能，提高性能）。滿足消費(fèi)者需求的關(guān)鍵是圍繞轉(zhuǎn)換器集成專用的系統(tǒng)功能。

當(dāng)今，選擇何種集成功能的缺省條件不是系統(tǒng)芯片（SOC）。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為檢測(cè)世界和計(jì)算機(jī)世界之間的橋梁，所以它被處于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇之間。性能和成本之間的折衷選擇經(jīng)常被稱作靈巧分割。傳感器和放大器的制造工藝通常與適合數(shù)字技術(shù)極精細(xì)的CMOS工藝不兼容。在設(shè)計(jì)制造工藝中將轉(zhuǎn)換器放在何處的明智選擇可根據(jù)應(yīng)用甚至解決方案而定。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其劃分會(huì)影響系統(tǒng)成本和具體單元電路的成本。問(wèn)題在于如何以最低的系統(tǒng)成本和功耗滿足系統(tǒng)性能的要求。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器功能供應(yīng)商需要與客戶密切合作以在系統(tǒng)水平上最大程度地利用他們的技術(shù)。這是一種建立在系統(tǒng)水平上持續(xù)降低成本的長(zhǎng)期策略的有效方法。

種類寬度
正如前面所說(shuō)，沒(méi)有一種能滿足所有駕駛員需要的汽車，同樣也沒(méi)有一款能滿足所有應(yīng)用需要的轉(zhuǎn)換器。這條準(zhǔn)則比要求提供具有包括多種采樣頻率的所有分辨率的轉(zhuǎn)換器要好。這個(gè)問(wèn)題涉及到如何將上述各種性能參數(shù)與根據(jù)應(yīng)用或客戶要求提出的功能和集成度結(jié)合起來(lái)。

過(guò)去兩年業(yè)界大的推動(dòng)之一是減少與制造商合作的供應(yīng)商的數(shù)量。制造商的目標(biāo)是工作效率和控制能力。由于與少數(shù)的供應(yīng)商合作，所以制造商可與保留的那些供應(yīng)商發(fā)展更深層的業(yè)務(wù)關(guān)系。這允許制造商更易建立和跟蹤與產(chǎn)品交付、存貨管理、質(zhì)量、報(bào)價(jià)以及產(chǎn)品定義和發(fā)展路線圖有關(guān)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)將更多的業(yè)務(wù)帶給單獨(dú)的供應(yīng)商，制造商有更大的控制能力按照對(duì)他們有利的方式來(lái)控制和影響這些衡量標(biāo)準(zhǔn)。

因此很顯然，為了滿足這些對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求，供應(yīng)商必須擁有多種產(chǎn)品：ADC，DAC以及集成帶有多種功能的轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器需要甚至在某一特定應(yīng)用中包含不同的功能。這些多種功能的變化包括可從通過(guò)一個(gè)低速核心轉(zhuǎn)換器多路復(fù)用低速多通道轉(zhuǎn)換器，到同時(shí)通過(guò)多個(gè)并行轉(zhuǎn)換器的多通道轉(zhuǎn)換器，又變化到建立系統(tǒng)基線性能的信號(hào)鏈中的高性能轉(zhuǎn)換器。為了滿足這些多種需求，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商需要能夠利用多種轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)今的轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)包括閃爍（全并行）、 逐次逼近（SAR）、分級(jí)、流水線性 、ΣΔ, R-2R, 分段電阻串等等，以及這些結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)。每種結(jié)構(gòu)都具有適合具體應(yīng)用問(wèn)題的開(kāi)發(fā)和匹配的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論
設(shè)計(jì)過(guò)程從根本上說(shuō)是折衷的過(guò)程。為了突出轉(zhuǎn)換器的某一項(xiàng)指標(biāo)而犧牲所有其它指標(biāo)的做法在實(shí)際應(yīng)用中是不可取的。同樣，似乎基于“指標(biāo)造假”的產(chǎn)品（例如：生產(chǎn)一種只能提供12bit噪聲或線性度性能的16bit轉(zhuǎn)換器）可能沒(méi)有真正的實(shí)用性。設(shè)計(jì)工程師必須關(guān)注那些下一次聽(tīng)到的高性能并聲稱業(yè)界領(lǐng)先的轉(zhuǎn)換器的細(xì)節(jié)。新聞報(bào)道可能是炫耀的，但是炫耀必定不能真正應(yīng)用或解決用戶的問(wèn)題。