高速轉(zhuǎn)換器簡介和工作原理

作為“現(xiàn)實(shí)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(fèi)音視頻，各個(gè)領(lǐng)域的性能提升和架構(gòu)進(jìn)步，同時(shí)還為實(shí)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(kuò)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(shí)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(shí)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?xí)绊懻w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(xí)慣于把技術(shù)進(jìn)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(shí)質(zhì)就是不斷提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 通過時(shí)鐘速率的進(jìn)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(jìn)步創(chuàng)造出一個(gè)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(qiáng)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(yùn)行時(shí)鐘速率達(dá)數(shù)GHz的處理器則能夠處理帶寬達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz的信號。

自然地，更強(qiáng)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(kuò)大其帶寬(往往達(dá)到物理或監(jiān)管機(jī)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(jì)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(zhǔn)備后，對信號進(jìn)行“數(shù)字化處理”。

一個(gè)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(biāo)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(gè)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(fù)目標(biāo)電臺。

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

雖然多載波方案需要采用復(fù)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(shí)恢復(fù)多個(gè)電臺，包括“邊頻”電臺。 如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，多載波系統(tǒng)甚至可以通過軟件重新配置，以支持新的標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)是采用可以接納所有頻帶的寬帶數(shù)字化儀和可以恢復(fù)任何信號的強(qiáng)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(dāng)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(qiáng)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(gè)因素決定著系統(tǒng)實(shí)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(gè)維度來描述一個(gè)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(gè)領(lǐng)域。 對于成像系統(tǒng)，帶寬決定著給定時(shí)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(diǎn)之間的強(qiáng)度或色彩范圍。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用帶寬有一個(gè)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(yùn)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(shí)際系統(tǒng)，一定程度的過采樣可極大地簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(gè)維度直觀易懂，那么動態(tài)范圍這個(gè)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(diǎn)”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(gè)可編程增益放大器(PGA)來實(shí)現(xiàn);例如，對于12位的浮點(diǎn)動態(tài)范圍，應(yīng)在一個(gè)8位轉(zhuǎn)換器前放置一個(gè)4位PGA。 當(dāng)增益設(shè)為低值時(shí)，這種配置可以捕獲大信號而不會超過轉(zhuǎn)換器的范圍。 當(dāng)信號極小時(shí)，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(gè)信號強(qiáng)或信號弱的電臺，也可能是成像系統(tǒng)中的一個(gè)明亮或暗淡的像素。 對于一次只嘗試恢復(fù)一個(gè)信號的傳統(tǒng)信號處理架構(gòu)來說，這種浮點(diǎn)動態(tài)范圍可能會非常有效。

其次，“瞬時(shí)”動態(tài)范圍更加強(qiáng)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(shí)還能恢復(fù)小信號。 這種情況下，可能需要一個(gè)14位的轉(zhuǎn)換器。

該原理適用于多種應(yīng)用——恢復(fù)強(qiáng)電臺或弱電臺信號，恢復(fù)手機(jī)信號，或者恢復(fù)圖像的超亮和超暗部分。 在系統(tǒng)傾向使用更加復(fù)雜的信號處理算法的同時(shí)，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(qiáng)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(shí)處理強(qiáng)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(biāo)

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(gè)32位處理器的動態(tài)范圍多于一個(gè)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(yùn)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(shí)可能是一個(gè)重要因素。

量化噪聲也是混合信號系統(tǒng)中的一個(gè)因素。 不過，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動態(tài)范圍由多個(gè)因素共同決定，而且每個(gè)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(shí)系統(tǒng)中都存在)或其他誤差項(xiàng)(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(biāo)(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(shí)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(gè)良好指標(biāo)。

還有其他規(guī)格可用。 實(shí)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(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率是其動態(tài)范圍的一個(gè)良好“替代指標(biāo)”，但在真正決定時(shí)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(gè)主要維度，但還有必要考慮第三個(gè)維度，即“效率”。 這有助于我們回答這樣一個(gè)問題：“為了實(shí)現(xiàn)額外性能，我需要付出多少成本?”我們可以從購置價(jià)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(jìn)步推動著人們提高帶寬和動態(tài)范圍，同時(shí)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(gè)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(jī)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(kuò)大”，就像池塘里的漣漪一樣。

另一個(gè)重點(diǎn)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(shí)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(jìn)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(gè)因素：

• 工藝技術(shù)： 摩爾定律與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——半導(dǎo)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(xì)間距微影蝕刻工藝方面取得的巨大進(jìn)步。 深亞微米CMOS晶體管的開關(guān)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其前輩，使控制器、數(shù)字處理器和FPGA的運(yùn)行時(shí)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(jìn)步，借“摩爾定律”之風(fēng)達(dá)到更高的速率。 但對混合信號電路來說，這是有代價(jià)的：蝕刻工藝越先進(jìn)，其工作電源電壓往往會越低。 這導(dǎo)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(jià)獲得更高的速率。

• 高級架構(gòu)(這不是祖母時(shí)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)： 在半導(dǎo)體工藝大步發(fā)展的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)更高的帶寬、更大的動態(tài)范圍做出了巨大貢獻(xiàn)。 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(jìn)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(zhǔn)方法已有數(shù)十年的歷史，在補(bǔ)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(zhǔn)已經(jīng)超越靜態(tài)誤差校正的范疇，越來越多地用于補(bǔ)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(jìn)了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)

實(shí)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(yán)苛的要求。 同樣，挑戰(zhàn)是在較寬的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的動態(tài)范圍——使更多的信號進(jìn)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(biāo)信號。 這往往涉及選擇性濾波以及針對目標(biāo)信號“微調(diào)”的窄帶系統(tǒng)。 這些經(jīng)過微調(diào)的電路在實(shí)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(shí)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?jǐn)[幅(LVDS)數(shù)據(jù)接口運(yùn)行速率達(dá)800 MHz至1 GHz。 對于較大數(shù)據(jù)速率，我們可以使用多個(gè)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(dá)12.5 GSPS的SERDES接口(規(guī)格見JESD204B標(biāo)準(zhǔn))——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(fù)雜。

4.時(shí)鐘抖動/誤差變成信號噪聲或誤差。

• 時(shí)鐘接口： 就系統(tǒng)中所用時(shí)鐘的質(zhì)量來說，高速信號的處理也可能十分困難。 時(shí)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(shí)，時(shí)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(gè)限制因素。 “數(shù)字級”時(shí)鐘可能無法勝任這類系統(tǒng)，可能需要使用高性能時(shí)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(gè)維度推上了新的臺階。