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：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?，同時還要符合通常非常嚴(yán)格的功率預(yù)算。

ADC 功能的一個主要趨勢是在給定的采樣率下持續(xù)推動更高的分辨率和 SNR 性能。例如，對于每秒 500 兆次采樣 (MSPS)，當(dāng)今最新的高性能 ADC 可以在 14 位時提供 72.5dB，而之前的 ADC 功能在 12 位時只能提供 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)的另一個趨勢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。現(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，同時將 SNR 保持在 75dB 以上。寬帶通信測試設(shè)備和高級醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用對分辨率和速度的要求不斷提高，推動了高分辨率 ADC 采樣率的不斷提高。

對于許多 ADC 應(yīng)用來說，低功耗操作也是一個越來越重要的因素。對于必須在嚴(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)趨勢變化的另一個領(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)）。

場景 #1 關(guān)鍵目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)高 SNR 和動態(tài)范圍

對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)信號處理。推動此類設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性之一是需要同時處理大信號和小信號，并且能夠區(qū)分兩者，這需要出色的動態(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處理來自近處和遠(yuǎn)處物體的強(qiáng)弱返回信號。如果ADC沒有足夠的動態(tài)范圍，那么較大的信號將完全支配轉(zhuǎn)換器的整個范圍，系統(tǒng)將看不到較弱的信號。

另一類通常屬于這一類的應(yīng)用是高性能測量儀器，例如信號分析儀。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常必須創(chuàng)建一組強(qiáng)大的功能和一個跨越廣泛信號靈敏度的性能窗口，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 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 交錯引擎 (I2E)）進(jìn)行交錯。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)整多個交錯 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 交錯引擎 (I2E)

在系統(tǒng)級（例如 6 位、8 位甚至 10 位器件）交錯較低分辨率的 ADC 已成為一種相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的做法，特別是對于無雜散動態(tài)范圍 (SFDR)主要關(guān)注。然而，對于需要 12 位及以上轉(zhuǎn)換器分辨率的高性能應(yīng)用，交錯 ADC 可能變得非常復(fù)雜，最好在芯片級實(shí)現(xiàn)。ADC 內(nèi)核的芯片級交錯克服了性能的動態(tài)變化，當(dāng)嘗試以更高分辨率交錯分離 ADC 時，這些變化會成為障礙。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)透明地動態(tài)微調(diào)性能以確保一致性并消除差異。I2E 的實(shí)時調(diào)整利用任意應(yīng)用樣本數(shù)據(jù)來估計(jì)和校正增益、偏移和采樣時間偏差的交錯失配。這使得多個內(nèi)核能夠作為單個高性能 ADC 一起運(yùn)行，可以有效地將采樣率乘以內(nèi)核數(shù)量，而無需對動態(tài)范圍、SNR 或穩(wěn)健性做出任何妥協(xié)

如圖 2 所示，與沒有高級交錯的 Sigma-Delta、SAR 或流水線架構(gòu)相比，具有高級交錯的 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 集成了兩個時間交錯的 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?？梢造`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，該類別包括信號電平可能變化但變化是可預(yù)測或可管理的應(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，兩個站之間的點(diǎn)對點(diǎn)微波通信鏈路通常涉及較少的信號變化，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，信號電平偶爾會受到天氣條件（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)拕討B(tài)范圍的高端 ADC，如前一場景中所述，以簡單地即時捕獲和處理減弱的信號?；蛘?，設(shè)計(jì)人員可以通過選擇動態(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。當(dāng)然，

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

例如，當(dāng)使用分辨率較低的 ADC 時，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，從而允許以更少的脈沖進(jìn)行更快的測量。繪制某些位置可能需要數(shù)百萬次測量，因此每次測量的時間量可能是一個重要因素。另一方面，激光測繪應(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用于某些戶外應(yīng)用，例如測繪橋架。根據(jù)特定的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)人員可能會選擇低功耗、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很有幫助。例如，一些系列提供多個性能等級，可以提供兩個或更多級別的 SNR，更高的 SNR 以增加功耗為代價。無需對底層硬件進(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)的多個版本提供了選擇，以滿足更廣泛的市場需求。

場景 #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分析儀。有時，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 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處理設(shè)計(jì)的方法。對于任何流水線 ADC 信號處理鏈，級之間都需要增益。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，每個增益級中的信號傳統(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。這似乎是一個微妙的差異，但實(shí)際上，它對降低功耗具有重大意義。

在大多數(shù)流水線 ADC 設(shè)計(jì)中，信號必須逐級放大以獲得必要的轉(zhuǎn)換分辨率?；陔妷旱脑O(shè)計(jì)有兩個限制。首先，信號增益需要運(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)需要在每個階段重新創(chuàng)建信號。相比之下，基于電荷的 ADC 使用電容縮放來實(shí)現(xiàn)級間增益。在電容器中，電壓 = 電荷/電容。因此，每個連續(xù)級所需的電壓增益可以簡單地通過降低其相對于前級的電容來創(chuàng)建。而且，不必為每個階段從頭開始重新創(chuàng)建基于電壓的信號，

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 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，并且要求以越來越低的功率預(yù)算進(jìn)行更苛刻的信號處理，但對設(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 不會影響 SNR 性能，同時最大限度地降低設(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