高速轉(zhuǎn)換器簡介和工作原理

作為“現(xiàn)實世界”模擬域與1和0構(gòu)成的數(shù)字世界之間的關(guān)口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器已成為現(xiàn)代信號處理中的關(guān)鍵要素之一。 過去30年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域涌現(xiàn)出了大量創(chuàng)新技術(shù)，這些技術(shù)不但助推了從醫(yī)療成像到蜂窩通信、再到消費音視頻，各個領(lǐng)域的性能提升和架構(gòu)進步，同時還為實現(xiàn)全新應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

寬帶通信和高性能成像應(yīng)用的持續(xù)擴張凸顯出高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的特殊重要性——轉(zhuǎn)換器要能處理帶寬范圍在10 MHz至1 GHz以上的信號。 人們通過多種各樣的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來實現(xiàn)這些較高的速率，各有其優(yōu)勢。 高速下在模擬域和數(shù)字域之間來回切換也對信號完整性提出了一些特殊的挑戰(zhàn)——不僅模擬信號如此，時鐘和數(shù)據(jù)信號亦是如此。 了解這些問題不僅對于器件選擇十分重要，而且甚至會影響整體系統(tǒng)架構(gòu)的選擇。

越來越快

在許多技術(shù)領(lǐng)域，我們習慣于把技術(shù)進步與更高的速率關(guān)聯(lián)起來。 從以太網(wǎng)到無線局域網(wǎng)再到蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信的實質(zhì)就是不斷提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 通過時鐘速率的進步，微處理器、數(shù)字信號處理器和FPGA發(fā)展十分迅速，這主要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，結(jié)果造就出開關(guān)速率更快、體積更小、功耗更低的晶體管。

這些進步創(chuàng)造出一個處理能力和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級增長的環(huán)境。 這些強大的數(shù)字引擎帶來了同樣呈指數(shù)級增長的信號和數(shù)據(jù)處理需求，從靜態(tài)圖像到視頻，到寬帶頻譜，無論是有線還是無線，均是如此。 100 MHz的處理器或許能有效地處理帶寬為1 MHz至10 MHz的信號，而運行時鐘速率達數(shù)GHz的處理器則能夠處理帶寬達數(shù)百MHz的信號。

自然地，更強大的處理能力、更高的處理速率會帶來更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 寬帶信號擴大其帶寬(往往達到物理或監(jiān)管機構(gòu)設(shè)定的頻譜極限)，成像系統(tǒng)尋求提高每秒像素處理能力，以便更加快速地處理更高分辨率的圖像。 系統(tǒng)設(shè)計推陳出新，以利用極高的這種處理性能，其中還出現(xiàn)了并行處理的趨勢，這可能意味著對多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求。

架構(gòu)上的另一重要變化是走向“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)在模擬域中完成許多信號調(diào)理工作(濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換);在經(jīng)過充分準備后，對信號進行“數(shù)字化處理”。

一個例子是FM廣播。 給定電臺的通道寬度通常為200 kHz，F(xiàn)M頻段范圍為88 MHz至108 MHz。 傳統(tǒng)接收器把目標電臺的頻率轉(zhuǎn)換成10.7 MHz的中頻，過濾掉所有其他通道，并把信號放大到最佳解調(diào)幅度。 多載波架構(gòu)將整個20 MHz FM頻段數(shù)字化，并利用數(shù)字處理技術(shù)來選擇和恢復目標電臺。

1.盡管電路往往較為復雜，但是多個載波具有多種優(yōu)勢，例如多個電臺的同步恢復。

雖然多載波方案需要采用復雜得多的電路，但它具有極大的系統(tǒng)優(yōu)勢(圖1)。 例如，系統(tǒng)可以同時恢復多個電臺，包括“邊頻”電臺。 如果設(shè)計得當，多載波系統(tǒng)甚至可以通過軟件重新配置，以支持新的標準(例如，分配在無線電邊帶上的新型“高清”電臺)。

這種方式的最終目標是采用可以接納所有頻帶的寬帶數(shù)字化儀和可以恢復任何信號的強大處理器。 這即是所謂的“軟件定義無線電”。 其他領(lǐng)域中有等效的架構(gòu)——“軟件定義儀表”、“軟件定義攝像頭”等。我們可以把這些當作“虛擬化”的信號處理等效物。 使得諸如此類靈活架構(gòu)成為可能的是強大的數(shù)字處理技術(shù)以及高速、高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。

帶寬和動態(tài)范圍

無論是模擬還是數(shù)字信號處理，其基本維度都是帶寬和動態(tài)范圍(圖2)。 這兩個因素決定著系統(tǒng)實際可以處理的信息量。 在通信領(lǐng)域，克勞德·香農(nóng)的理論就使用這兩個維度來描述一個通信通道可以攜帶的信息量的基本理論限值。

2.帶寬和動態(tài)范圍代表信號處理的基本維度。

但其原理卻適用于多個領(lǐng)域。 對于成像系統(tǒng)，帶寬決定著給定時間可以處理的像素量，動態(tài)范圍決定著“最暗的”可覺察光源與像素“飽和”點之間的強度或色彩范圍。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用帶寬有一個由奈奎斯特采樣理論設(shè)定的基本理論限值——為了表示或處理帶寬為F的信號，我們需要使用運行采樣速率至少為2F的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(請注意，本法則適用于任何采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)——模擬或數(shù)字都適用)。 對于實際系統(tǒng)，一定程度的過采樣可極大地簡化系統(tǒng)設(shè)計，因此，更典型的數(shù)值是信號帶寬的2.5至3倍。

如前所述，不斷增加的處理能力可提高系統(tǒng)處理更高帶寬的能力，而蜂窩電話、電纜系統(tǒng)、有線和無線局域網(wǎng)、圖像處理以及儀器儀表等系統(tǒng)都在朝著“帶寬”更高的系統(tǒng)發(fā)展。 相應(yīng)地，不斷提高的帶寬需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具備更高的采樣速率。

如果說帶寬這個維度直觀易懂，那么動態(tài)范圍這個維度則可能稍顯晦澀。 在信號處理中，動態(tài)范圍表示系統(tǒng)可以處理且不發(fā)生飽和或削波的最大信號與系統(tǒng)可以有效捕獲的最小信號之間的分布范圍。

我們可以考慮兩類動態(tài)范圍。 首先，“浮點”動態(tài)范圍可以通過在低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前放置一個可編程增益放大器(PGA)來實現(xiàn);例如，對于12位的浮點動態(tài)范圍，應(yīng)在一個8位轉(zhuǎn)換器前放置一個4位PGA。 當增益設(shè)為低值時，這種配置可以捕獲大信號而不會超過轉(zhuǎn)換器的范圍。 當信號極小時，可將PGA設(shè)為高增益，以將信號放大到轉(zhuǎn)換器的“噪底”以上。 信號可能是一個信號強或信號弱的電臺，也可能是成像系統(tǒng)中的一個明亮或暗淡的像素。 對于一次只嘗試恢復一個信號的傳統(tǒng)信號處理架構(gòu)來說，這種浮點動態(tài)范圍可能會非常有效。

其次，“瞬時”動態(tài)范圍更加強大。 在這種配置中，系統(tǒng)擁有充足的動態(tài)范圍，能夠捕獲大信號而不產(chǎn)生削波現(xiàn)象，同時還能恢復小信號。 這種情況下，可能需要一個14位的轉(zhuǎn)換器。

該原理適用于多種應(yīng)用——恢復強電臺或弱電臺信號，恢復手機信號，或者恢復圖像的超亮和超暗部分。 在系統(tǒng)傾向使用更加復雜的信號處理算法的同時，對動態(tài)范圍的需求也是水漲船高。 這使得系統(tǒng)可以處理更多信號。 如果全部信號都具有相同的強度，并且需要處理兩倍的信號，則需要增加3 dB的動態(tài)范圍(在所有其他條件相等的情況下)。 可能更重要的是，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)范圍的增量要求可能要大得多。

動態(tài)范圍的不同衡量指標

在數(shù)字信號處理中，動態(tài)范圍的關(guān)鍵參數(shù)是信號表示中的位數(shù)，或稱字長。 簡單來說，一個32位處理器的動態(tài)范圍多于一個16位的處理器。 過大的信號將發(fā)生“削波”——這是一種高度非線性的運算，會破壞多數(shù)信號的完整性。 過小的信號(幅度小于1 LSB)將變得不可檢測并丟失掉。 這種“有限分辨率”通常稱為量化誤差，或量化噪聲，在確立可檢測性“下限”時可能是一個重要因素。

量化噪聲也是混合信號系統(tǒng)中的一個因素。 不過，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動態(tài)范圍由多個因素共同決定，而且每個因素都自己的規(guī)格：

• 信噪比(SNR)： 轉(zhuǎn)換器的滿量程與頻帶總噪聲之比。 該噪聲可能來自量化噪聲(如上所述)、熱噪聲(所有現(xiàn)實系統(tǒng)中都存在)或其他誤差項(如抖動)。

• 靜態(tài)非線性度： 差分非線性度(DNL)和積分非線性度(INL)是衡量從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入端到輸出端的直流傳遞函數(shù)的非理想程度的指標(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)非線性度會產(chǎn)生諧音，可有效地屏蔽其他信號。 THD通常會限制音頻系統(tǒng)的有效動態(tài)范圍。

• 無雜散動態(tài)范圍(SFDR)： 考慮相對于輸入信號的最高頻譜“雜散”，無論是二階還是三階諧波、時鐘饋通，甚至是60 Hz的“嗡嗡”噪聲。 由于頻譜音或雜散可屏蔽小信號，因此，SFDR是用來表示許多通信系統(tǒng)中可用動態(tài)范圍的一個良好指標。

還有其他規(guī)格可用。 實際上，每種應(yīng)用都可具有自身的有效動態(tài)范圍描述。 開始時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率是其動態(tài)范圍的一個良好“替代指標”，但在真正決定時選擇正確的技術(shù)規(guī)格是非常重要的。 關(guān)鍵原則是，越多越好。雖然許多系統(tǒng)可以立即意識到需要更高的信號處理帶寬，但對動態(tài)范圍的需求卻可能不是如此直觀，即便要求更加苛刻。

值得注意的是，盡管帶寬和動態(tài)范圍是信號處理的兩個主要維度，但還有必要考慮第三個維度，即“效率”。 這有助于我們回答這樣一個問題：“為了實現(xiàn)額外性能，我需要付出多少成本?”我們可以從購置價格來看成本，但對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他電子信號處理應(yīng)用來說，一種更加純粹的、衡量成本的技術(shù)手段是功耗。 性能越高的系統(tǒng)——更大的帶寬或動態(tài)范圍——往往要消耗更多的電能。 技術(shù)的不斷進步推動著人們提高帶寬和動態(tài)范圍，同時減少功耗。

主要應(yīng)用

如前所述，每種應(yīng)用在這些“基本信號維度”方面都有著不同的要求，而在給定的應(yīng)用中，則可能有多種不同的性能。 例如，一個100萬像素的攝像頭和1000萬像素的攝像頭。 圖3展示了不同應(yīng)用通常要求的帶寬和動態(tài)范圍。 該圖的上半部分一般稱為“高速”，意味著采樣速率為25 MHz及以上的轉(zhuǎn)換器，可以有效處理10 MHz或以上的帶寬。

3.所示為一些典型應(yīng)用對帶寬(速度)和動態(tài)范圍(分辨率位數(shù))的要求。

需要注意的是，該“應(yīng)用圖”并非靜止不變——現(xiàn)有應(yīng)用可能利用新的、性能更高的技術(shù)來提升其功能，例如，高清攝像機或者分辨率更高的“3D”超聲設(shè)備等。 每年還會涌現(xiàn)出全新的應(yīng)用，很大一部分處于性能邊界的“外邊緣處”，這得益于高速與高分辨率的新組合。 結(jié)果使轉(zhuǎn)換器性能“邊緣不斷擴大”，就像池塘里的漣漪一樣。

另一個重點是大多數(shù)應(yīng)用具有功耗問題。 對于便攜式/電池供電型應(yīng)用，功耗可能是主要技術(shù)限制條件，但是，即使是線路供電系統(tǒng)，我們也開始發(fā)現(xiàn)，信號處理元件(模擬也好，數(shù)字也好)的功耗最終會限制系統(tǒng)在給定物理區(qū)域的性能。

技術(shù)發(fā)展趨勢和創(chuàng)新——如何實現(xiàn)

鑒于這些應(yīng)用在不斷推高對高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的要求，業(yè)界以持續(xù)技術(shù)進步的方式對此做出了回應(yīng)。 技術(shù)對高級高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的“推動”來自以下幾個因素：

• 工藝技術(shù)： 摩爾定律與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——半導體工業(yè)在持續(xù)推動數(shù)字處理性能方面的成就有目共睹，其主要驅(qū)動因素是晶圓處理工藝在走向更細間距微影蝕刻工藝方面取得的巨大進步。 深亞微米CMOS晶體管的開關(guān)速率遠遠超過其前輩，使控制器、數(shù)字處理器和FPGA的運行時鐘速率邁上了數(shù)GHz的臺階。

像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一樣的混合信號電路也可以利用蝕刻工藝領(lǐng)域取得的這些進步，借“摩爾定律”之風達到更高的速率。 但對混合信號電路來說，這是有代價的：蝕刻工藝越先進，其工作電源電壓往往會越低。 這導致模擬電路的信號擺幅在縮小，增加了將模擬信號維持在熱噪底以上的困難——以縮水的動態(tài)范圍為代價獲得更高的速率。

• 高級架構(gòu)(這不是祖母時代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)： 在半導體工藝大步發(fā)展的同時，過去20年中，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)領(lǐng)域也出現(xiàn)了數(shù)波創(chuàng)新浪潮，為以驚人的功效實現(xiàn)更高的帶寬、更大的動態(tài)范圍做出了巨大貢獻。 傳統(tǒng)上，有多種架構(gòu)方式用于高速ADC，包括全并行架構(gòu)、折疊架構(gòu)、交織架構(gòu)和流水線架構(gòu)，這些架構(gòu)方式至今仍然非常流行。 后來，傳統(tǒng)上用于低速應(yīng)用的架構(gòu)也加入高速應(yīng)用陣營，包括逐次逼近寄存器(SAR)和Δ-Σ，這些架構(gòu)專門針對高速應(yīng)用進行了的改動。

每種架構(gòu)都有自己的優(yōu)勢和劣勢。 某些應(yīng)用一般根據(jù)這些折衷來確定“最佳”架構(gòu)。 對于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)來說，首選架構(gòu)一般是開關(guān)電流模式結(jié)構(gòu)。 不過，這類結(jié)構(gòu)有許多變體。 開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的速率穩(wěn)步提高，在一些嵌入式高速應(yīng)用中仍然十分流行。

•“數(shù)字輔助”方法： 多年以來，在工藝和架構(gòu)以外，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路技術(shù)也取得了輝煌的創(chuàng)新成就。 校準方法已有數(shù)十年的歷史，在補償集成電路元件失配以及提高電路動態(tài)范圍方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 校準已經(jīng)超越靜態(tài)誤差校正的范疇，越來越多地用于補償動態(tài)非線性度，包括建立誤差和諧波失真。

總之，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新極大地促進了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的發(fā)展。

實現(xiàn)

實現(xiàn)寬帶混合信號系統(tǒng)不僅僅要選擇正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——這些系統(tǒng)可能對信號鏈的其他部分有著嚴苛的要求。 同樣，挑戰(zhàn)是在較寬的帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)秀的動態(tài)范圍——使更多的信號進出數(shù)字域，充分利用數(shù)字域的處理能力。

• 寬帶信號調(diào)理： 在傳統(tǒng)“單載波”系統(tǒng)中，信號調(diào)理就是盡快消除無用信號，然后放大目標信號。 這往往涉及選擇性濾波以及針對目標信號“微調(diào)”的窄帶系統(tǒng)。 這些經(jīng)過微調(diào)的電路在實現(xiàn)增益方面可能非常有效，而且在某些情況下，頻率規(guī)劃技術(shù)有助于確保將諧波或其他雜散排除在“帶外”。 寬帶系統(tǒng)不能使用這些窄帶技術(shù)，而且在這些系統(tǒng)中實現(xiàn)寬帶放大可能面臨巨大的挑戰(zhàn)。

• 數(shù)據(jù)接口： 傳統(tǒng)的CMOS接口不支持大大超過100 MHz的數(shù)據(jù)速率——而且低電壓差分擺幅(LVDS)數(shù)據(jù)接口運行速率達800 MHz至1 GHz。 對于較大數(shù)據(jù)速率，我們可以使用多個總線接口，或者使用SERDES接口。 現(xiàn)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用的是最高速率達12.5 GSPS的SERDES接口(規(guī)格見JESD204B標準)——可以用多條數(shù)據(jù)通道來支持轉(zhuǎn)換器接口中分辨率和速率的不同組合。 這些接口本身常常十分復雜。

4.時鐘抖動/誤差變成信號噪聲或誤差。

• 時鐘接口： 就系統(tǒng)中所用時鐘的質(zhì)量來說，高速信號的處理也可能十分困難。 時域中的抖動/誤差會轉(zhuǎn)換成信號中的“噪聲”或誤差，如圖4中的信號所示。 在處理速率大于100 MHz的信號時，時鐘抖動或相位噪聲可能成為轉(zhuǎn)換器可用動態(tài)范圍的一個限制因素。 “數(shù)字級”時鐘可能無法勝任這類系統(tǒng)，可能需要使用高性能時鐘。

總之，走向更寬帶寬信號和“軟件定義”系統(tǒng)的步伐不斷加快，業(yè)界不斷推陳出新，涌現(xiàn)出構(gòu)建更好、更快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新方法，將帶寬、動態(tài)范圍和功效三個維度推上了新的臺階。