省電設計使DDS更適合便攜應用

直接數(shù)字頻率合成器(DDS)已獲得廣泛應用，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鍵因素的情況下，對模擬鎖相環(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型號在125MHz輸出帶寬范圍內(nèi)提供了DDS技術的快速切換和調(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都很高。例如，當型號為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90年代中期出現(xiàn)時，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AD9850而言，在功耗與帶寬關系之間20X的提升。

AD9913為便攜式和/或儀表應用帶來了三個關鍵的好處。較低的50mW功耗讓設計師能夠在掌上電腦和其它便攜式應用中利用DDS的優(yōu)勢。可編程模數(shù)結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡時鐘和儀表應用是一個具吸引力的功能。它使得頻率合成可以是采樣速率的任意有理(兩個整數(shù)之比)分數(shù)。當分母是2的倍數(shù)時，傳統(tǒng)的DDS只能合成采樣率的有理分數(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)生的輸出信號是采樣率的任意有理分數(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的低功耗是通過幾種省電創(chuàng)新來實現(xiàn)的。第一個問題涉及到DDS基于正弦和/或余弦函數(shù)通過相位累加器將產(chǎn)生的瞬時相位值轉(zhuǎn)換為振幅值。傳統(tǒng)上，只讀存儲器(ROM)查找表來實現(xiàn)這項任務。不過，隨著DDS技術發(fā)展到更高的速度和更大的復雜性，ROM方式的功耗負擔變得令人望而卻步。這導致采用專利的角旋轉(zhuǎn)算法，該算法依靠計算引擎來實現(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)品會需要特殊的熱封裝來配合增加的功耗。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被去除(例如，DDS輸出信號的數(shù)字相位和/或頻率調(diào)制、數(shù)字濾波來減輕sin(x)/x損耗、用于多通道應用的多DDS內(nèi)核)。

在降低功耗方面的下一個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角旋轉(zhuǎn)算法，使得在同一芯片上運行多個DDS內(nèi)核成為可能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較低的采樣速率運行多個DDS內(nèi)核，比在非常高的采樣率下運行單個DDS內(nèi)核的功耗要低。這是一個重大的突破，因為高分辨率(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)能讓設計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。隨著過渡到180-nm CMOS制造工藝，這種新的創(chuàng)新架構(gòu)導致了DDS輸出帶寬的急劇增加，但相對前一代低頻DDS產(chǎn)品而言僅有適中的功耗。

然而，即使有了這些創(chuàng)新，在手持設備和便攜式應用中功耗仍是極大的。為了縮小這種差距，另一個創(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)，進一步降低了DDS內(nèi)核的功耗。新的算法結(jié)合了關注低功率操作的設計理念，使設計師能夠達到預期的低功耗設計目標。新的理念包括了當不需要特定的操作模式時，關閉所有無關的內(nèi)部時鐘，以及從每塊電路削減功耗，只要不降低頻譜性能或過分限制帶寬。

其成果就是AD9913，它工作在采樣率達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對廣范的射頻控制器件以及條形碼無線掃描器和射頻識別(RFID)標簽而言，成為極具吸引力的候選者。但是，對于要求高于100MHz的應用而言，必須采用輔助PLL來實現(xiàn)上變頻。其他便攜/手持應用可以低功耗DDS技術中獲益，這包括了軟件定義無線電(SDR)、遙控或便攜式有線電視測試設備、醫(yī)療葡萄糖計、無線火災報警器，以及電子測量設備，例如頻譜分析儀和波形發(fā)生器等。