省電設(shè)計(jì)使DDS更適合便攜應(yīng)用

直接數(shù)字頻率合成器(DDS)已獲得廣泛應(yīng)用，這是由于其快速的頻率切換速度和調(diào)制能力。但是，在低功耗和低成本作為關(guān)鍵因素的情況下，對(duì)模擬鎖相環(huán)(PLL)合成器是有利的，DDS則往往降為第二位的選擇。然而，ADI公司的AD9913型號(hào)在125MHz輸出帶寬范圍內(nèi)提供了DDS技術(shù)的快速切換和調(diào)制靈活性，并具有類似PLL大約只有50mW的低功耗。

DDS解決方案的功耗一直以來(lái)都很高。例如，當(dāng)型號(hào)為AD9850的第一款集成數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的DDS產(chǎn)品在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)時(shí)，它在50MHz的輸出帶寬下功耗為380mW。體現(xiàn)在AD9913中的創(chuàng)新造就了相對(duì)AD9850而言，在功耗與帶寬關(guān)系之間20X的提升。

AD9913為便攜式和/或儀表應(yīng)用帶來(lái)了三個(gè)關(guān)鍵的好處。較低的50mW功耗讓設(shè)計(jì)師能夠在掌上電腦和其它便攜式應(yīng)用中利用DDS的優(yōu)勢(shì)。可編程模數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘和儀表應(yīng)用是一個(gè)具吸引力的功能。它使得頻率合成可以是采樣速率的任意有理(兩個(gè)整數(shù)之比)分?jǐn)?shù)。當(dāng)分母是2的倍數(shù)時(shí)，傳統(tǒng)的DDS只能合成采樣率的有理分?jǐn)?shù)，如1/4和5/16，而AD9913并不局限于2倍數(shù)的約束。它可以產(chǎn)生的輸出信號(hào)是采樣率的任意有理分?jǐn)?shù)，如1/10、3/7或286/11487(只要它們屬于AD9913的編程范圍之內(nèi))。最后，像該公司早前的某些DDS產(chǎn)品一樣，AD9913提供了極為靈活的波形產(chǎn)生。

AD9913的低功耗是通過(guò)幾種省電創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第一個(gè)問(wèn)題涉及到DDS基于正弦和/或余弦函數(shù)通過(guò)相位累加器將產(chǎn)生的瞬時(shí)相位值轉(zhuǎn)換為振幅值。傳統(tǒng)上，只讀存儲(chǔ)器(ROM)查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)任務(wù)。不過(guò)，隨著DDS技術(shù)發(fā)展到更高的速度和更大的復(fù)雜性，ROM方式的功耗負(fù)擔(dān)變得令人望而卻步。這導(dǎo)致采用專利的角旋轉(zhuǎn)算法，該算法依靠計(jì)算引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦和/或余弦轉(zhuǎn)換。角旋轉(zhuǎn)算法的方式可以追溯到AD9850型DDS，并且發(fā)現(xiàn)其相對(duì)ROM查找表法而言可顯著降低功耗。許多早期不采用角旋轉(zhuǎn)算法的DDS產(chǎn)品會(huì)需要特殊的熱封裝來(lái)配合增加的功耗。此外，在該公司現(xiàn)有的DDS產(chǎn)品中，熱考量可能迫使許多寶貴的特點(diǎn)被去除(例如，DDS輸出信號(hào)的數(shù)字相位和/或頻率調(diào)制、數(shù)字濾波來(lái)減輕sin(x)/x損耗、用于多通道應(yīng)用的多DDS內(nèi)核)。

在降低功耗方面的下一個(gè)重大突破可以歸功于該公司專利的相位交叉DDS結(jié)構(gòu)。早期降低功率是通過(guò)角旋轉(zhuǎn)算法，使得在同一芯片上運(yùn)行多個(gè)DDS內(nèi)核成為可能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較低的采樣速率運(yùn)行多個(gè)DDS內(nèi)核，比在非常高的采樣率下運(yùn)行單個(gè)DDS內(nèi)核的功耗要低。這是一個(gè)重大的突破，因?yàn)楦叻直媛?14b或更高)、高采樣率(1GHz或更高)的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)內(nèi)核需要在DDS技術(shù)上創(chuàng)新，以便充分利用這些新的DAC內(nèi)核。交叉DDS架構(gòu)能讓設(shè)計(jì)師把多份已低功耗的DDS內(nèi)核副本合并，并在比高頻率DAC內(nèi)核更低的采樣速率下操作它們。隨著過(guò)渡到180-nm CMOS制造工藝，這種新的創(chuàng)新架構(gòu)導(dǎo)致了DDS輸出帶寬的急劇增加，但相對(duì)前一代低頻DDS產(chǎn)品而言僅有適中的功耗。

然而，即使有了這些創(chuàng)新，在手持設(shè)備和便攜式應(yīng)用中功耗仍是極大的。為了縮小這種差距，另一個(gè)創(chuàng)新是必要的。隨著新的專利變異角度旋轉(zhuǎn)算法的出現(xiàn)，進(jìn)一步降低了DDS內(nèi)核的功耗。新的算法結(jié)合了關(guān)注低功率操作的設(shè)計(jì)理念，使設(shè)計(jì)師能夠達(dá)到預(yù)期的低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。新的理念包括了當(dāng)不需要特定的操作模式時(shí)，關(guān)閉所有無(wú)關(guān)的內(nèi)部時(shí)鐘，以及從每塊電路削減功耗，只要不降低頻譜性能或過(guò)分限制帶寬。

其成果就是AD9913，它工作在采樣率達(dá)250MHz，但只有50mW的功耗。250MHz的采樣率產(chǎn)生了大約100MHz的可用帶寬。結(jié)合了低功耗的輸出頻率能力，使得AD9913對(duì)廣范的射頻控制器件以及條形碼無(wú)線掃描器和射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽而言，成為極具吸引力的候選者。但是，對(duì)于要求高于100MHz的應(yīng)用而言，必須采用輔助PLL來(lái)實(shí)現(xiàn)上變頻。其他便攜/手持應(yīng)用可以低功耗DDS技術(shù)中獲益，這包括了軟件定義無(wú)線電(SDR)、遙控或便攜式有線電視測(cè)試設(shè)備、醫(yī)療葡萄糖計(jì)、無(wú)線火災(zāi)報(bào)警器，以及電子測(cè)量設(shè)備，例如頻譜分析儀和波形發(fā)生器等。