撰稿人：Ed Kohler 和 Jason Messier 與 Intersil

在越來越廣泛的高性能應(yīng)用要求的推動(dòng)下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 正成為越來越普遍的設(shè)計(jì)元素，性能、成本和復(fù)雜性之間的眾多權(quán)衡是產(chǎn)品設(shè)計(jì)整體成功的關(guān)鍵因素。

盡管 ADC 永遠(yuǎn)不會(huì)有簡單的一刀切解決方案，但現(xiàn)在 ADC 設(shè)計(jì)中的許多持續(xù)技術(shù)趨勢(shì)使設(shè)計(jì)人員能夠密切定制 ADC 選擇，以優(yōu)化成本和性能以滿足其特定應(yīng)用要求。本文旨在提供這些技術(shù)趨勢(shì)的概述，以及一些設(shè)計(jì)示例，以便為理解不同方法之間的實(shí)際權(quán)衡提供背景。

ADC 趨勢(shì)：在 SNR、分辨率、采樣率和功率之間取得平衡

ADC 設(shè)計(jì)必須在給定的性能標(biāo)準(zhǔn)（例如信噪比 (SNR)、分辨率和采樣率）之間實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶猓瑫r(shí)還要符合通常非常嚴(yán)格的功率預(yù)算。

ADC 功能的一個(gè)主要趨勢(shì)是在給定的采樣率下持續(xù)推動(dòng)更高的分辨率和 SNR 性能。例如，對(duì)于每秒 500 兆次采樣 (MSPS)，當(dāng)今最新的高性能 ADC 可以在 14 位時(shí)提供 72.5dB，而之前的 ADC 功能在 12 位時(shí)只能提供 66-67dB。這一進(jìn)步得益于最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和半導(dǎo)體處理能力的進(jìn)步，在大約五年的時(shí)間里，可實(shí)現(xiàn)的信噪比基本上實(shí)現(xiàn)了 100% 的改進(jìn)。

改進(jìn)的另一個(gè)趨勢(shì)軸是增加給定分辨率和 SNR 的可用最大采樣率。就在一年前，只有兩家主要 ADC 供應(yīng)商提供 14 位 ADC，其采樣率高于 155 MSPS?，F(xiàn)在，大多數(shù) ADC 制造商正在將采樣率提高到 250 MSPS，其 14 位設(shè)備可以提供 70dB 或更好的 SNR 性能，有些制造商正在提供可以提供超過 73dB 的第二代產(chǎn)品。同樣，16 位轉(zhuǎn)換器的最大采樣率已從 2008 年的 200 MSPS 提高到 2010 年末的 250 MSPS，同時(shí)將 SNR 保持在 75dB 以上。寬帶通信測(cè)試設(shè)備和高級(jí)醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用對(duì)分辨率和速度的要求不斷提高，推動(dòng)了高分辨率 ADC 采樣率的不斷提高。

對(duì)于許多 ADC 應(yīng)用來說，低功耗操作也是一個(gè)越來越重要的因素。對(duì)于必須在嚴(yán)格的功率預(yù)算內(nèi)工作的手持設(shè)備以及需要許多 ADC 的設(shè)計(jì)尤其如此，其中組合功耗成為一個(gè)重要問題。正如本文后續(xù)部分將討論的那樣，在給定的 SNR、分辨率和采樣率性能水平下將功耗降至最低的能力可能是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵關(guān)鍵問題，并且至少有一個(gè)低功耗ADC 架構(gòu)的出現(xiàn)就是為了滿足這種需求。

ADC 設(shè)計(jì)趨勢(shì)變化的另一個(gè)領(lǐng)域是用于獲取芯片內(nèi)外數(shù)據(jù)的各種接口技術(shù)。最初，CMOS I/O 足以支持大多數(shù)應(yīng)用程序。然而，不斷提高的性能要求導(dǎo)致了更快的 I/O 方法的發(fā)展，包括 DDR、LVDS、串行 LVDS 和潛在的 SERDES 接口（雖然本文主要關(guān)注關(guān)鍵性能和功耗的權(quán)衡，但我們將在以后的文章中探討正在進(jìn)行更深入的 ADC 接口演進(jìn)）。

場(chǎng)景 #1 關(guān)鍵目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)高 SNR 和動(dòng)態(tài)范圍

對(duì)于許多更高性能的應(yīng)用，最重要的要求是在不考慮功耗問題的情況下實(shí)現(xiàn) SNR 和動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)。

這些性能優(yōu)先應(yīng)用的主要例子是關(guān)鍵任務(wù)軍事設(shè)計(jì)，如雷達(dá)信號(hào)處理。推動(dòng)此類設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性之一是需要同時(shí)處理大信號(hào)和小信號(hào)，并且能夠區(qū)分兩者，這需要出色的動(dòng)態(tài)范圍和 SNR 性能。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，必須以一致的精度和速度同時(shí)處理來自近處和遠(yuǎn)處物體的強(qiáng)弱返回信號(hào)。如果ADC沒有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，那么較大的信號(hào)將完全支配轉(zhuǎn)換器的整個(gè)范圍，系統(tǒng)將看不到較弱的信號(hào)。

另一類通常屬于這一類的應(yīng)用是高性能測(cè)量儀器，例如信號(hào)分析儀。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常必須創(chuàng)建一組強(qiáng)大的功能和一個(gè)跨越廣泛信號(hào)靈敏度的性能窗口，而不是為一組固定參數(shù)預(yù)先定制盒子。同樣，在高采樣率下圍繞具有最大動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)健 SNR 特性的 ADC 從頭開始??構(gòu)建，是使儀器平臺(tái)能夠提供最寬性能窗口的方法。

類似的挑戰(zhàn)存在于許多通信應(yīng)用中，例如必須區(qū)分強(qiáng)弱信號(hào)以確定正確路由和切換過程的無線基站。在所有這些應(yīng)用中，唯一的選擇是使用在所需采樣率下提供盡可能高的動(dòng)態(tài)范圍和 SNR 特性的 ADC 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在這些應(yīng)用中證明非常有用的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法是緊密集成多個(gè) ADC 內(nèi)核，這些內(nèi)核使用先進(jìn)的片上硬件（例如專有的 Intersil 交錯(cuò)引擎 (I2E)）進(jìn)行交錯(cuò)。在這種方法中，混合數(shù)字/模擬背景校準(zhǔn)技術(shù)連續(xù)調(diào)整多個(gè)交錯(cuò) ADC 內(nèi)核的增益、偏移和采樣相位，消除固有的制造不匹配，并實(shí)時(shí)調(diào)整由溫度和電壓引起的任何不匹配變化（見圖 1）。

Intersil 交錯(cuò)引擎 (I2E)

在系統(tǒng)級(jí)（例如 6 位、8 位甚至 10 位器件）交錯(cuò)較低分辨率的 ADC 已成為一種相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的做法，特別是對(duì)于無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)主要關(guān)注。然而，對(duì)于需要 12 位及以上轉(zhuǎn)換器分辨率的高性能應(yīng)用，交錯(cuò) ADC 可能變得非常復(fù)雜，最好在芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)。ADC 內(nèi)核的芯片級(jí)交錯(cuò)克服了性能的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)嘗試以更高分辨率交錯(cuò)分離 ADC 時(shí)，這些變化會(huì)成為障礙。控制良好的工藝匹配以及共同的電壓和溫度特性在本質(zhì)上提供了內(nèi)核之間更好的均勻性，這是單獨(dú)設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的。

為了實(shí)現(xiàn)近乎完美的匹配，片上 I2E 校準(zhǔn)透明地動(dòng)態(tài)微調(diào)性能以確保一致性并消除差異。I2E 的實(shí)時(shí)調(diào)整利用任意應(yīng)用樣本數(shù)據(jù)來估計(jì)和校正增益、偏移和采樣時(shí)間偏差的交錯(cuò)失配。這使得多個(gè)內(nèi)核能夠作為單個(gè)高性能 ADC 一起運(yùn)行，可以有效地將采樣率乘以內(nèi)核數(shù)量，而無需對(duì)動(dòng)態(tài)范圍、SNR 或穩(wěn)健性做出任何妥協(xié)

如圖 2 所示，與沒有高級(jí)交錯(cuò)的 Sigma-Delta、SAR 或流水線架構(gòu)相比，具有高級(jí)交錯(cuò)的 ADC 架構(gòu)可以在高采樣率下提供最??高水平的分辨率。例如，Intersil 的 ISLA214P50 集成了兩個(gè)時(shí)間交錯(cuò)的 14 位 250MSPS ADC，以實(shí)現(xiàn) 500MSPS 的采樣率和 72.7dBFS 的 SNR 性能。

ADC 架構(gòu)與分辨率和采樣率的比較

場(chǎng)景 #2 – 需要靈活性以在性能、功耗和設(shè)計(jì)復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡

在這些情況下，設(shè)計(jì)人員通常可以靈活地以不同方式處理應(yīng)用，從而在 ADC 選擇中實(shí)現(xiàn)性能、功耗和其他設(shè)計(jì)考慮因素之間的權(quán)衡。例如，該類別包括信號(hào)電平可能變化但變化是可預(yù)測(cè)或可管理的應(yīng)用，這樣系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為調(diào)整和適應(yīng)變化。

例如，兩個(gè)站之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通信鏈路通常涉及較少的信號(hào)變化，因?yàn)樗褂镁劢?a target="_blank">天線，在發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的阻塞最小。然而，信號(hào)電平偶爾會(huì)受到天氣條件（例如下雨、雨夾雪）的影響。這允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多種方法。一種設(shè)計(jì)選擇是使用具有足夠?qū)拕?dòng)態(tài)范圍的高端 ADC，如前一場(chǎng)景中所述，以簡單地即時(shí)捕獲和處理減弱的信號(hào)?；蛘撸O(shè)計(jì)人員可以通過選擇動(dòng)態(tài)范圍較低的 ADC 并使用增益控制電路根據(jù)天氣條件調(diào)整信號(hào)路徑來進(jìn)行權(quán)衡，以便始終以一致的電平向 ADC 提供信號(hào)。當(dāng)然，

此類別中另一個(gè)有趣的應(yīng)用可能是激光測(cè)距儀，其中向多個(gè)方向發(fā)送固定強(qiáng)度的信號(hào)，然后使用返回信號(hào)的強(qiáng)度和時(shí)間特征進(jìn)行距離測(cè)量，以創(chuàng)建復(fù)雜空間的 3D 映射。信號(hào)測(cè)量需要同時(shí)考慮表面反射率和到被測(cè)物體的距離。從信號(hào)處理的角度來看，許多設(shè)計(jì)權(quán)衡對(duì)此類應(yīng)用產(chǎn)生影響。

例如，當(dāng)使用分辨率較低的 ADC 時(shí)，通過消除平均的需要，可以使用更高分辨率的 ADC 來更快地解析信號(hào)，從而允許以更少的脈沖進(jìn)行更快的測(cè)量。繪制某些位置可能需要數(shù)百萬次測(cè)量，因此每次測(cè)量的時(shí)間量可能是一個(gè)重要因素。另一方面，激光測(cè)繪應(yīng)用的性質(zhì)可能需要一定程度的系統(tǒng)便攜性，甚至需要電池供電平臺(tái)用于某些戶外應(yīng)用，例如測(cè)繪橋架。根據(jù)特定的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇低功耗、低分辨率的 ADC 與外部電路相結(jié)合來平均結(jié)果，

對(duì)于需要在 ADC 功能方面進(jìn)行各種權(quán)衡的這些應(yīng)用領(lǐng)域，利用引腳兼容的器件系列可能是有利的，這為設(shè)計(jì)人員提供了比單點(diǎn)產(chǎn)品更廣泛的選擇。例如，需要在分辨率和采樣率之間進(jìn)行權(quán)衡的設(shè)計(jì)人員可以首先使用 14 位 500 MSPS 部件進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，如果需要，可以轉(zhuǎn)移到同一系列中的 16 位 250 MSPS 引腳兼容器件，而無需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何更改。

同樣，如果設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)給定的分辨率和采樣率在 SNR 與功耗之間進(jìn)行權(quán)衡，那么使用提供多種選擇的引腳兼容系列會(huì)很有幫助。例如，一些系列提供多個(gè)性能等級(jí)，可以提供兩個(gè)或更多級(jí)別的 SNR，更高的 SNR 以增加功耗為代價(jià)。無需對(duì)底層硬件進(jìn)行任何更改，即可再次提供用于延長電池壽命或提高性能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

這種靈活性允許設(shè)計(jì)人員定制和微調(diào) ADC 功能以滿足特定應(yīng)用要求，而無需更改整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)和支持電路。利用引腳兼容系列的能力還為營銷具有不同性能水平的相同基本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多個(gè)版本提供了選擇，以滿足更廣泛的市場(chǎng)需求。

場(chǎng)景 #3 – 最大限度地減少用電量是關(guān)鍵因素

在這最后一組應(yīng)用中，提供超低功耗操作是設(shè)計(jì)成功的首要因素。該類別中的典型產(chǎn)品是需要更高帶寬和便攜性的手持設(shè)備，例如軍用和執(zhí)法無線電、超聲波無損掃描儀和便攜式有線電視信號(hào)分析儀。有時(shí)，此類應(yīng)用中還包括部署的 ADC 的剪切數(shù)量具有需要最小化的累積功率使用影響的應(yīng)用，例如具有數(shù)千個(gè) ADC 的某些有線通信系統(tǒng)，其中整體基礎(chǔ)設(shè)施的功率預(yù)算變得很重要因素。

在所有這些情況下，設(shè)計(jì)人員都需要具有給定的動(dòng)態(tài)范圍，但必須以盡可能低的功率水平實(shí)現(xiàn)該性能。因此，ADC 制造商必須通過超低功耗芯片級(jí)架構(gòu)來滿足性能要求。此外，ADC 架構(gòu)應(yīng)為設(shè)計(jì)人員提供靈活性，以最大限度地降低支持電路和整體設(shè)計(jì)中的功率要求。

Intersil 的 FemtoCharge? 技術(shù)代表了在創(chuàng)建超低功耗 ADC 實(shí)施方面向前邁出的重要一步，該技術(shù)從根本上改變了流水線信號(hào)處理設(shè)計(jì)的方法。對(duì)于任何流水線 ADC 信號(hào)處理鏈，級(jí)之間都需要增益。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，每個(gè)增益級(jí)中的信號(hào)傳統(tǒng)上由電壓表示。相比之下，F(xiàn)emtoCharge 架構(gòu)改變了方法并使用電荷表示信號(hào)。這似乎是一個(gè)微妙的差異，但實(shí)際上，它對(duì)降低功耗具有重大意義。

在大多數(shù)流水線 ADC 設(shè)計(jì)中，信號(hào)必須逐級(jí)放大以獲得必要的轉(zhuǎn)換分辨率。基于電壓的設(shè)計(jì)有兩個(gè)限制。首先，信號(hào)增益需要運(yùn)算放大器 (Op-Amp)，并且由于高速和高精度的雙重要求，這些運(yùn)算放大器具有高功耗并限制了整體 ADC 性能。其次，基于電壓的設(shè)計(jì)需要在每個(gè)階段重新創(chuàng)建信號(hào)。相比之下，基于電荷的 ADC 使用電容縮放來實(shí)現(xiàn)級(jí)間增益。在電容器中，電壓 = 電荷/電容。因此，每個(gè)連續(xù)級(jí)所需的電壓增益可以簡單地通過降低其相對(duì)于前級(jí)的電容來創(chuàng)建。而且，不必為每個(gè)階段從頭開始重新創(chuàng)建基于電壓的信號(hào)，

基于電壓和基于電荷的管道架構(gòu)比較

FemtoCharge 方法可以創(chuàng)建具有超低功耗特性的高性能 ADC。例如，ISLA216P25IRZ 是一款 16 位 250 MSPS ADC，它是第一款也是唯一一款采樣率超過 175 MSPS 且功耗低于 1 瓦（250 MSPS 時(shí)為 786 mW）的 16 位轉(zhuǎn)換器。此外，像 ISLA214P50IRZ 這樣的基于電荷的 ADC 不僅是第一個(gè) 14 位 500MSPS 轉(zhuǎn)換器，而且還提供 73dB 的 SNR，并且僅消耗 835-900 mW，提供大約 3dB 的 SNR，而其功率僅為其唯一的三分之一250 MSPS 以上的競爭對(duì)手。因此，基于電荷的設(shè)計(jì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一套全新的選項(xiàng)，可以在不影響性能的情況下最大限度地降低功耗。

底線：更多選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)權(quán)衡

盡管新一代產(chǎn)品的需求不斷升級(jí)，并且要求以越來越低的功率預(yù)算進(jìn)行更苛刻的信號(hào)處理，但對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，好消息是新一代 ADC 架構(gòu)一直處于領(lǐng)先地位。

具有透明片上校準(zhǔn)功能的共享芯片、多核交錯(cuò)架構(gòu)等新的進(jìn)步現(xiàn)在可以創(chuàng)建非常高分辨率、高采樣率的 ADC，這些 ADC 不會(huì)影響 SNR 性能，同時(shí)最大限度地降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功耗。此外，F(xiàn)emtoCharge 等突破性技術(shù)從根本上改變了流水線 ADC 設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)了更大的節(jié)能。

設(shè)計(jì)人員的底線是有更廣泛的選項(xiàng)可供選擇，這會(huì)導(dǎo)致更好的權(quán)衡和更有效的 ADC 功能定制，以滿足總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。

編輯：hfy