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数据转换器的衡量标准:演进历程

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作者:Kevin Kattmann


数据转换器有意义的衡量方法是什么?就数据转换器自身而言,它是相当容易定义的。数据转换器是通过模数转换器(ADC)将连续的电信号(即模拟信号)转换为数码字〔以比特(bit)为单位〕或反过来,通过数模转换器(DAC)将数码字转换为连续的模拟信号。这样的转换过程是我们周围的真实世界和我们用以监测、分析、控制的计算机世界之间的至关重要的连接。其中最困难和有发展意义的问题是如何为这些数据转换器定义重要的性能指标。

设计工程师往往喜欢事情简单,所以数据转换器的性能衡量标准历史上曾经简化为分辨率位数(N)和采样速率(Fs)。一般来说,分辨率高好,如果采样速率也高就更好。尽管这种衡量方法很简单,但是在初期它还是准确的,因为它符合当时计算机数据总线的要求。几年过后,我们看到数据总线从16 bit发展到32 bit再到64 bit,同时处理器速度从MHz范围提高到GHz范围。长期以来,数据转换器只是适应与数字技术不断增加的数据处理能力相匹配。

然而,对于数字信号处理器和数据转换世界来说,采用简单的分辨率和采样速率的衡量方法正在发生变化。许多应用对数据处理能力的需求推动技术发展的趋势不再像以往那样快速增长了。因此,创新的焦点已经扩大到包括效率、尺寸和成本在内的多种因素。虽然分辨率和采样速率仍然是性能的关键因素,但是当今的应用需要对数据转换器的性能指标有更深的理解以实现成功的电子设计。

通过类比方式我们可以理解上述情况。请想象有一家这样的汽车制造商,它制造出了市场上最快的跑车,并宣称成为汽车行业的领先者。这样的宣称对于赛车爱好者来说可能是对的,但是对绝大多数公众来说没什么意义。这对于关注燃油价格上涨和期待提高效率的客户会怎样呢?这对于需要足够空间以承载5位家人和他们的狗的家庭会怎样呢?这对于需要运载相当沉重货物的工人会怎样呢?虽然Humvee®高机动性多用途轮式车辆具有有用的功能,但是在我们的高速公路和城市街道上它可能没用。

在商业界,不论是汽车还是数据转换器,都必须根据客户的需求来定义创新。成功来自于开发出解决客户当前问题的最好产品,能够提供全新的应用并且永远保持其重要作用。虽然这种开阔的工程视角增加了衡量某种产品性能指标的复杂性,但是它使衡量成功的标准简单了:增加市场份额。

总结数据转换市场的需求可化分为三方面,其中每一方面都需要创新和继续发展的承诺。这三方面是性能指标、成本和选择宽度。

性能创新
高性能是数据转换领域经常反复提到的术语。数据转换器的电性能有4项关键指标:采样速率、直流(DC)(或静态)精度、交流(AC)(或动态)精度和功耗。这些指标相对的重要性依赖于具体应用,而大多数应用都对所有这些特性具有一定的灵敏度。

采样速率(Fs)也被称作转换速率、编码速率或者刷新速率。它是数据转换器将一个数码字链接到模拟信号的速度的一种度量,它以每秒采样次数(SPS)为单位表示。奈奎斯特准则表明对于一个系统进行采样的速率必须至少为有用信号带宽(BW)的两倍;所以采样速率越高就能提供越宽的可用信号带宽。例如,要捕获或产生一个50 MHz的信号需要一个采样速率为100 MSPS或更高的数据转换器。显然,采样速率越高,困难也就越大,因为其电路必须在更短的时间内完成转换操作。

DC精度经常以分辨率的bit数或位数(N)表示,而模拟信号的满度范围(FS)由下式给出:
FS = 数字转换的步数 = 2N-1                                 (1)

所以一个10 bit的数据转换器将有1023个有效数码字,并且每个数码字的最低有效位(LSB)的权重为1/1023。我们必须特别注意“分辨率”与“DC精度”是不同的概念。转换器的精度是数码字与对应转换步数的模拟信号之间的一致性程度的一种度量,规定用微分线性误差(DNL)和积分线性误差(INL)来表征。其中DNL是每一步转换的实际值与理想值之间的偏差程度的一种度量,INL是完成全部转换的每一步转换误差的积分。这两项指标通常都以LSB的份数的形式来表示。

分辨率和精度之间的差异的意义是很重要的。例如,当两个转换器都具有12 bit的相同分辨率时,但是其中一个转换器可能只有10 bit的精度(2 LSB的DNL或INL误差),而另一个转换器可能具有14 bit的精度(0.125 LSB的DNL或INL)。因此,应当认识到这两种转换器具有不一样的性能。还需要弄清楚的是,即使增加分辨率bit数而达不到这些增加的bit数所提高的精度,也不能达到提高精度的目的。

数字示波器提供了一个很好例子,这个问题是由于分辨率和精度概念混淆而产生的。大多数示波器都使用8 bit  ADC来采样有用信号。8 bit分辨率很适合这种应用,而这些系统的设计工程师希望ADC有9 bit(0.25 LSB)的精度。这是因为肉眼可分辨7~8 bit的精度,所以如果使用低于真正8 bit精度的8 bit ADC,那么使用该示波器的用户可从显示屏上观测这些误差。

AC精度可用信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)两项性能指标来表示。因为相对模拟信号的频率来度量这两项性能指标,因此它们代表了动态性能。SNR是转换器的噪声功率对有用信号影响程度的一种度量。它告诉用户在不使用平均处理方法的条件下能立即检测(ADC)或产生(DAC)小信号的程度。这项性能指标的最大值受待测转换器的分辨率(N)限制,并且以dB为单位由下式表示:

SNR = 6.02×N + 1.8                           (2 )

SFDR是使用大量采样和平均处理方法对可检测到小信号程度的一种度量。SFDR受待测转换器的DC精度限制,并且提供对随信号频率的增加保持精度程度的一种度量。所以在上述的12 bit ADC例子中,虽然每个ADC有同样的SNR指标,但是它们的SFDR性能有很大差别。

当讨论数据转换器精度时,一个跟踪和比较的有趣性能指标是有效位数(ENOB)。在低输入频率时ENOB可用来反映DC精度,而在高输入频率时它可用来反映AC精度与频率的关系。ENOB与SNR的表达式相似,表达如下:

SNDR = 6.02 × ENOB + 1.8                           (3)

SNDR(信纳比)代表信号(S)与噪声(N)加失真(D)的比率,即S/(N+D)。通过测量转换器有多少噪声和失真加到用信号中,等效ENOB可提供对转换器精度的一种平均度量方法。

蜂窝基站是一个重视数据转换器AC精度的很好的应用实例。这些基站需要按照非常严格的技术标准接收信号和发送信号。动态范围小的ADC不能检测出淹没在强烈干扰中的微弱信号。失真性能差的DAC会在工作频谱中的其它信道内产生杂散信号,因而不能满足通信行业的要求。

定义实际应用中数据转换器性能的最后一项重要参数是功耗。功率不常在性能参数中被引用,但是如果功率不达标,许多上述的性能指标都很容易受到强制性破坏。不幸的是,我们越来越趋于生活在一个便携式电子设备的时代。当谈到数码相机与摄像机、蜂窝电话以及个人音频和视频播放器时电池工作寿命是用户需要的一项关键参数。功率也是与电池工作寿命无关的许多系统中的关键参数。对于可能有大电源供电的系统,其大的功率消耗会产生散热管理问题,从而可能会影响其结构设计及其材料成本。因此ADC和DAC的功耗性能指标成为选择数据转换器日益重要的参数。

大多数行业都制定品质因数(FOM)来跟踪其关注领域的技术发展水平,数据转换器也不例外。在数据转换器中,一种很重要的FOM表达如下:

FOM = SNDR + 10 Log(BW/Power)                          (4)

其中BW表示带宽,Power表示功率。

虽然有几种FOM定义,它们以稍微不同的方式表达这些度量,但是本文的目的不是讨论其细微差异或者做出其优选评论。上述引用的FOM包含了给定器件的速度、精度(包括DC精度和AC精度)和功耗指标,以给出一个总平价。这个信息表明,从根本上说设计过程是一个折衷的过程。为了优化一项性能指标而牺牲其它的指标可能会满足某些用户的极限需求,但是它不再可能提高该转换器的总性能指标。

成本创新
对于为某项应用确定一个转换器的设计工程师,应当首要关注的是转换器的性能,其次是转换器的成本。当然,转换器的成本是很实在的,并且很容易对转换器之间和厂家之间的价格进行比较,但是成本创新的问题绝非仅仅是降低IC的价格问题。

成本创新包括生产厂家的总成本。它考虑了使用给定转换器的设计难度。该器件的技术资料完整吗?真的提供适合该器件的设计工具吗?该器件供应商提供应用支持,提供对该器件基本知识支持和提供对其深入应用支持吗?一个没有设计支持的低成本器件可能并不如它看上去那样划算。

成本创新的考虑还必须包括产品及其替代器件的最终成本。该器件的鲁棒性好吗?该器件经过合格测试并且测试的是保证符合最低性能的主要指标吗?最后,该器件有开发下一代产品的发展路线图吗?也就是,能提供该转换器的满足客户未来产品需求的开发技术路线吗?

许多促进转换器消费的应用不是由转换器的先进性能水平来推动的。一般的电子产品都快速地从可行性生产发展到大批量生成再发展到下一代产品。每一代产品都期望欲降低(降低功耗,减小尺寸,节省成本)而提高(增加功能,提高性能)。满足消费者需求的关键是围绕转换器集成专用的系统功能。

当今,选择何种集成功能的缺省条件不是系统芯片(SOC)。由于数据转换器成为检测世界和计算机世界之间的桥梁,所以它被处于系统结构选择之间。性能和成本之间的折衷选择经常被称作灵巧分割。传感器和放大器的制造工艺通常与适合数字技术极精细的CMOS工艺不兼容。在设计制造工艺中将转换器放在何处的明智选择可根据应用甚至解决方案而定。

系统结构及其划分会影响系统成本和具体单元电路的成本。问题在于如何以最低的系统成本和功耗满足系统性能的要求。数据转换器功能供应商需要与客户密切合作以在系统水平上最大程度地利用他们的技术。这是一种建立在系统水平上持续降低成本的长期策略的有效方法。

种类宽度
正如前面所说,没有一种能满足所有驾驶员需要的汽车,同样也没有一款能满足所有应用需要的转换器。这条准则比要求提供具有包括多种采样频率的所有分辨率的转换器要好。这个问题涉及到如何将上述各种性能参数与根据应用或客户要求提出的功能和集成度结合起来。

过去两年业界大的推动之一是减少与制造商合作的供应商的数量。制造商的目标是工作效率和控制能力。由于与少数的供应商合作,所以制造商可与保留的那些供应商发展更深层的业务关系。这允许制造商更易建立和跟踪与产品交付、存货管理、质量、报价以及产品定义和发展路线图有关的衡量标准。通过将更多的业务带给单独的供应商,制造商有更大的控制能力按照对他们有利的方式来控制和影响这些衡量标准。

因此很显然,为了满足这些对数据转换器的需求,供应商必须拥有多种产品:ADC,DAC以及集成带有多种功能的转换器。这些转换器需要甚至在某一特定应用中包含不同的功能。这些多种功能的变化包括可从通过一个低速核心转换器多路复用低速多通道转换器,到同时通过多个并行转换器的多通道转换器,又变化到建立系统基线性能的信号链中的高性能转换器。为了满足这些多种需求,数据转换器供应商需要能够利用多种转换器体系结构。当今的转换器市场包括闪烁(全并行)、 逐次逼近(SAR)、分级、流水线性 、ΣΔ, R-2R, 分段电阻串等等, 以及这些结构的组合结构。每种结构都具有适合具体应用问题的开发和匹配的优势。

结论
设计过程从根本上说是折衷的过程。为了突出转换器的某一项指标而牺牲所有其它指标的做法在实际应用中是不可取的。同样,似乎基于“指标造假”的产品(例如:生产一种只能提供12 bit噪声或线性度性能的16 bit转换器)可能没有真正的实用性。设计工程师必须关注那些下一次听到的高性能并声称业界领先的转换器的细节。新闻报道可能是炫耀的,但是炫耀必定不能真正应用或解决用户的问题。

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