李 健 王 莹

摘要：数字化需求的不断增长，对模拟技术——特别是数据转换器技术的需求变得更为重要。数字技术对信号转换技术的要求越来越高，本文介绍了数据转换器技术的发展和现状。

关键词：数据转换器;ADC;DAC;SAR;Σ～Δ

随着电子技术水平的不断发展，作为从联系真实自然界采集或传递感官信息与数字处理、存储和传输所必备的桥梁纽带，数据转换器(Data Converter—ADC/DAC)起着至关重要的作用，也正是因为数据转换器，尤其是ADC的广泛应用，大大推动了数字世界的长足发展和进步。半导体供应商也一直在不断加大对此的投入和技术创新。另外，与数据转换器性能、集成度甚至成本息息相关的芯片工艺技术水平也在不段进步。而数据转换器的性能决定了信号转换效果的优劣，且在很大程度上决定了当今数字设备的性能。

市场年增9%

随着人们对信号捕捉能力的要求逐步提升，数据转换器的应用变得越来越广泛，Gartner预测，独立的数据转换器产品收入将达到8.9%的年均增长率，营收从2009年25.67亿美元增长至2014年39.37亿美元。增长点主要包

括高端医疗/工业和测量应用(高平均售价)和低端消费类音频产品(量大)，在医疗/工业应用的年均增长率为10.2%，消费类电子应用则为9.2%。市场调查公司Databeans预测，2010年数据转换器的营收将有望比2009年增长20%以上。从长期发展来看，Databeans预计到2015年，转换器市场会继续保持9%的年均增长率。

市场表现方面，ADI是世界上最大的独立的数据转换器IC供应商，德州仪器(TI)紧随其后，Maxim位列第三，Linear Technology公司(凌力尔特)位居第四。欧胜微电子则是音频编解码器的最大供应商，不过面临来自Cirrus Logic公司的激烈竞争。

高性能多通道转换器是未来转换器技术的大趋势，同时要满足不同差异化的应用需求。“ADI的市场策略是基于现今社会对信号处理的实际要求，用先进的转换器技术及产品来为主要客户提升系统性能。这就是ADI能够远超竞争对手并占据46%的市场份额的原因”，ADI公司转换器部门副总裁Dick Meaney指出。

Gartner 模拟半导体研究总监Stephan Ohr认为，数据转换器市场对性能的要求越来越严格，并满足一些特殊性要求。传统上，数据转换器应用的需求是转换速率和精度。速率以采样率为单位，精度则体现在位分辨率。原始数据转换器的性能每年都在不断提高;而对更高精度和采样率以及更高带宽的需求在2011年将继续存在。这些数值若能达到优良值就能够帮助系统设计师减小系统体积，降低复杂程度和信号链的能耗。当然，与高速和高分辨率一样，低功耗和更高集成度一直是数据转换器产品的必然要求。在消费电子领域主要是音频编/解码器，竞争集中在将 A / D转换器和立体声的D / A转换器集成在单芯片以及芯片成本上。尽管价格压力很大，不过，现在的音频编解码器通常还是包括一个耳机放大器，电源管理器件和一个基于DSP的音频增强处理器、3D音效扩展或噪音消除。基于Flash(快闪)和Pipeline(流水线)技术的数据转换器同样在诸如高清视频播放器等便携产品中得到广泛应用。

带有更大ASSP(专用标准产品)的集成数据转换器在成本和性能方面的优势仍在被激烈地争论。许多手机应用相同的稳压器芯片将立体声音频编解码器与电源管理集成到一起，分立编解码器供应商会说这是一种严重的音质妥协，因为编解码器容易受到开关噪声的干扰;但从市场反应来看，越来越多的专门数据转换器将逐渐转化为一个更加综合应用的特定部分。

高分辨率ADC概览

数据转换器一个重要的应用是信号的采集和传输，这在通信应用中表现得极为明显。在通信基础设施方面，电信网络(包括3G和4G)承载的数据量日益增长，正考验着中国通信基础设施的能力。这正是当今DAC和ADC技术面临的主要挑战之一。ADI 公司中国技术支持中心经理聂海霞指出，在所有类型的基站和无线基础设施(WIFR)系统的现代设计中，极高速数模转换器(DAC)都是占据主导地位的信号发生器。现在它们还能执行某些功能，以降低基带处理器的负荷。这为设计人员提供了灵活度，使他们在改善信号质量的同时，能够实现更简单的设计、更低的成本以及更低的功耗。这也意味着，设计人员越来越多地要求DAC不仅能支持传统的无线通信标准，例如GSM、WCDMA、TD–SCDMA、CDMA2000、WiMAX和LTE等，还要能满足多标准蜂窝基站和其它一些应用的需求，这些应用采用了借助宽信号带宽的复杂DPD(数字预失真)技术。DAC需要兼具性能和灵活性，特别是对于支持4至6载波GSM传输规范或其它通信标准的系统。汽车、能源和航空电子系统也存在高性能挑战，在这些应用中，转换器的可靠性是最重要特性之一。转换器必须达到特定的行业规格，并具备很长的生命周期。当前，高分辨率ADC成本正大幅降低，可为设计人员带来诸多好处。

设计人员进行工业和数据采集项目设计时，很可能会遇到以下这些模数转换问题：

● 对极宽动态范围内的输入信号进行数字化处理，例如环境声压计要能在60至80dB范围内检测信号;

● 适应不同来源且信号范围截然不同的信号;

● 解析某一确定值的上下微小变化，旨在扩展以该点为中心的范围。

如果使用相对低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高电平信号的分辨率可能接近10位。然而，对于低电平信号，如果小于满量程的10%，其有效分辨率可能不超过6或7位。因此在很多情况下，对于精度只有1%的传感器来说，等效精度为0.1%的10位分辨率足够了。然而，对于更低电平信号，有效分辨率可能小于1%。

设计问题的解决之道

这些设计问题有很多解决方法，以下主要列出三种： 在相对较低分辨率ADC之前连接可编程增益放大器(PGA); 将输入信号加在ADC之前连接的缓冲放大器;使用高分辨率ADC。

下面逐一评估这些方法。

PGA法

历史上，PGA方法曾经非常流行，因为与较低成本ADC配对使用时，它比高分辨率ADC更具成本优势。此方法特别适用于输入信号接近0V但具有较宽动态范围的情况。图1是集成PGA的ADC原理示意图 。

这类似于过程控制系统，需要监控具有不同信号范围的各种传感器信号，例如声压计。如果对较宽动态范围的信号进行增益范围调整，所产生的最关键误差是“交越不匹配”。

这意味着当PGA切换到不同的增益值时，数字输出可能在那个点发生上下跳变。因此，在每一级都必须小心匹配增益来降低这种影响。从不同信号源中复用信号时，这个问题并不重要。然而，这与系统是否针对每个信号设计固定增益有关，如图2所示，或者对于较宽范围信号输入进行动态增益切换。

增益范围调整方法会产生以下问题：虽然可驱动一个12位ADC，但如果在其前放置一个增益为27 = 128的放大器，则放大器的有效输入噪声和失调电压精度必须为18位。对于采用固定增益运算放大器，这会有问题，而采用PGA切换时，问题可能还会更严重。这样，将精度要求从ADC转移到PGA，却没有带来任何好处。

● 在进行增益切换时，必须先对信号有所了解。可使用ADC的超量程输出，并配合软件，或者通过比较器来实现这一点。这个过程很麻烦，而且切换时间也会是个问题(也许您还记得古老的增益范围调整DVM，在改变范围时它的速度有多慢!)。

● 可以对增益为128的精密低噪声运算放大器进行简单的分析：计算有效输出噪声和失调电压，并与低分辨率ADC的最低有效位(LSB)进行比较。然而，在高增益模式下，运算放大器的线性度会是个问题。

多缓冲放大器方法

如果传感器或者信号源与内置ADC的数据采集单元有一定距离，可以使用多缓冲放大器方法(见图2)。

单个高分辨率ADC

单个高分辨率ADC的优点是简单(见图3)。如果使用16位ADC，对于较小动态范围的信号，丢失3、4或5位会使该信号的有效分辨率降至11至14位。然而，对于大多数传感器来说此精度足够了，因为ADC的精度相当于0.05%或更佳。

由于这些器件的价格最近已降到5美元或更低，因此成本将不再是需要考虑的因素。如果需要更高的有效分辨率，或者需要适应更宽的动态范围，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性价比较高也更简单的系统。

需解析0点附近某个信号值的微小变化时，显然应选择使用高分辨率ADC。这也是利用DAC补偿大多数信号的替代方案。在有些情况下，这仍然是一种可行的选择。目前适合增益范围调整方法的PGA有诸如ADI 的AD8250[2]。

分立vs集成在芯片内部

同时，我们也应该看到，很多ADC，甚至是DAC的功能模块已经被集成在微控制器/处理器/SoC内部，而且其标称的分辨率已有高达16位。即便如此，分立的ADC和DAC同样具有不可替代的地位。TI模拟器件事业部业务拓展工程师王胜分析主要原因如下。

(1)分立的ADC通常具有较高的精度，如16位及以上的应用场合。

(2)对于高速应用，如通信基础设施、医疗及测试计量设备等，很难找到处理器集成的ADC能够胜任。

(3)即使是同样标称性能，分立ADC获得较好设计性能概率大很多。

(4)作为模拟器件的ADC，相对容易现实模拟链路的功能集成，如，用于信号调理的PGA，输入缓存(bu er)，电压基准，以及其他辅助功能的模拟附件，如温度传感器，某些针对特定应用的硬件电路等。但对于以数字为核心的处理器器件，就可能存在与模拟电路的匹配设计问题。

(5)集成在微控制器/处理器/SoC内部的ADC方案，客户的灵活选择空间将大大降低。

(6)集成有高性能的模拟外设(包括高性能ADC)的微控制器/处理器，其成本可能相对较高。

(7)PCB的布局和设计方便，如果ADC被集成在处理器内部，很难实现系统级的模拟-数字分离设计。

部分ADC/DAC厂商及产品特点

ADI的数据转换器产品线应用广泛，聂海霞介绍道，在智能仪表和智能电网方面，去年底该公司推出了四款能量计量集成电路(IC)，这种方案能够提升应用于工商业和民用智能电表的精度和准确度。新产品是高精度的能量计量IC，可应用于包括三线和四线服务器的聚相装置。这种IC的特点是能够在超过1000 :1的动态范围内进行动态及无功电能测量，精确度达0.1%，可谓业界首创。

在医疗电子领域，ADI推出了业界最为精准的单片数模转换器(DAC)AD5791，提供该公司前所未有的精确度，使得放射科医生可以在疾病初期得到超清晰的磁共振成像图来帮助探测疾病。ADI近期推出的其他医疗新品包括ADAS1128 24位电流数字转换器、ADuM4160单芯片通用串行总线隔离器及AD927x系列八通道超声诊断系统接收机。2010年7月，ADI向中国市场推出了AD5755数模转换器，配有动态电源管理，多通道，16位数模转换器驱动能力;节约能源，并在工业应用中的I/O系统控制过程中十分可靠。ADI的高度整合数据转换器AD5755是一套完整的多通道控制集成电路，整合了4个带有可调控电压或4~20mA输出驱动的16位数模转换器，以及动态电源管理。

TI模拟器件事业部业务拓展工程师王胜介绍，TI在ADC和DAC等数据转换器产品中可以为客户提供非常广泛的产品系列，包括信号链产品和音视频应用中的DAC及ADC产品。通常Σ-Δ型ADC被应用于高精度低速率的场合，不过TI利用自身掌握的核心技术，可使Σ-Δ型ADC到达24bit的分辨率、4Msps的数据速率，这一性能对于Σ-Δ型ADC来说不多见，至少从某种层面可以说明TI的Σ-Δ型ADC技术具有独特优势。

另外，为了满足某些具有共性需求的特定应用，TI给客户提供了“定制化”的选择：⒈针对工业自动化及仪表应用中的对微弱小信号的采集需求，尤其是广泛应用的温度测量应用，并考虑到类似设计中客户面临的高性能、低功耗、高集成度/有限的PCB面积、低成本以及设计简化的需求，TI推出了Σ-Δ型ADC，ADS1248/7/6和ADS1148/7/6系列产品，覆盖24bit/16bit以及不同的集成度版本。⒉在工业过程控制、运动控制、电力自动化以及工业型号采集场合，逐次逼近(SAR)型ADC，由于其自身架构决定的无延时特性，以及可以实现更多的采样速度和分辨率的折中选择，得到了更广阔的应用。TI可以提供分辨率从8bit到18bit，速度从每秒数千次采样率到每秒数百万次采样率的更加宽泛的SAR ADC产品系列。⒊TI在高速ADC(主要以Pipeline型ADC)产品中也加强投入和创新，尤其在通信和视频应用领域。

凌力尔特产品市场经理Alison Steer介绍，在高性能、高速 ADC 领域，凌力尔特产品具有极低的功耗。通过整合设计专长和创新性封装技术，凌力尔特利用这个系列的产品开发出了高性能信号链路微型模块 (uModule) 接收器子系统，这些子系统可以不受任何限制地交付到中国市场。这些器件已经从最近中国电信市场的增长以及中国一些主流公司的测试和仪表产品的增长中获益。在工业应用的高精确度 ADC 和 DAC 领域，凌力尔特也是拥有显著优势的领导者，最近率先推出了真正的 18 位数模转换器，该转换器在整个工业温度范围内实现了有保证的±1LSB (低于 4ppm!) INL 和 DNL 性能。凌力尔特公司十分专注于设计高线性度数据转换器，同时充分考虑灵活性、尺寸和功耗。公司开发了多个引脚和软件兼容的产品系列，因此用户可以选择数字接口、内部基准、通道数和具中标度或零标度复位的 DAC 输出或高阻抗 (LTC2635)。高精确度、电流输出 DAC 系列还为设计师提供了在从 12 位开始直到 18 位精确度的分辨率中所需的、有保证的性能。

Maxim ADC产品线的业务经理Alex Dean介绍，Maxim ADC主要面向工业、通信、医疗和消费市场，大多数18位以及更高分辨率的ADC采用Σ-Δ设计架构，Maxim推出的低速24位、单通道ADC具有业内领先的单位功耗有效位(ENOB)指标，可理想用于手持式仪表和传感器市场，近期将推出多通道、速度更高的ADC，以扩充24位ADC产品线。MAX11200系列Σ-Δ超低功耗(工作电流<300μA) ADC具有业内较高的单位功耗分辨率，较宽的动态范围非常适合4~20mA工业控制环路。在规定的转换速率下，内部数字滤波器提供高于100dB的50Hz或60Hz交流电噪声抑制，是工业和医疗设备的理想选择。MAX11102系列低功耗ADC最大功耗仅为9.9mW，可有效延长便携式电子产品的电池使用寿命，它能够工作在低至2.2V电压的器件。该系列ADC可理想用于便携式/电池供电的电子产品、汽车电子设计、太阳能供电系统以及系统监测。