高速轉(zhuǎn)換器：概述是什么、為什么以及如何

David H. Robertson

作為“現(xiàn)實(shí)世界”模擬域與數(shù)字世界1和0之間的網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代信號(hào)處理的關(guān)鍵要素。在過(guò)去的三十年中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的眾多創(chuàng)新不僅使從醫(yī)學(xué)成像到蜂窩通信再到消費(fèi)者音頻和視頻的性能和架構(gòu)都取得了進(jìn)步，還有助于創(chuàng)建全新的應(yīng)用。

寬帶通信和高性能成像應(yīng)用的不斷擴(kuò)展特別強(qiáng)調(diào)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：能夠處理帶寬為10 MHz至1 GHz以上的信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。各種轉(zhuǎn)換器架構(gòu)被用于達(dá)到這些更高的速度，每種架構(gòu)都有特殊的優(yōu)勢(shì)。高速在模擬域和數(shù)字域之間來(lái)回移動(dòng)也給信號(hào)完整性帶來(lái)了一些特殊的挑戰(zhàn)——不僅對(duì)于模擬信號(hào)，而且對(duì)于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)也是如此。了解這些問(wèn)題不僅在組件選擇中很重要，甚至?xí)绊懻w系統(tǒng)架構(gòu)的選擇。

圖1.

更快，更快，更快

在許多技術(shù)領(lǐng)域，我們已經(jīng)將技術(shù)進(jìn)步與更快的速度聯(lián)系起來(lái)：從以太網(wǎng)到無(wú)線LAN再到蜂窩的數(shù)據(jù)通信都是為了更快地移動(dòng)比特。微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和FPGA通過(guò)時(shí)鐘速率的進(jìn)步而大幅發(fā)展。它們主要通過(guò)縮小工藝光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些光刻提供了更小的晶體管，可以更快地切換（并且功耗更低）。這些動(dòng)態(tài)創(chuàng)造了一個(gè)處理能力和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的環(huán)境。這些強(qiáng)大的數(shù)字引擎對(duì)要處理的信號(hào)和數(shù)據(jù)的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)：從靜止圖像到視頻，再到寬帶頻譜，無(wú)論是有線還是無(wú)線。以 100 MHz 運(yùn)行的處理器可能能夠有效地處理帶寬為 1 MHz 至 10 MHz 的信號(hào)：以多個(gè) GHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行的處理器可以處理帶寬為數(shù)百 MHz 的信號(hào)。

更高的處理能力和速度自然會(huì)導(dǎo)致更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：寬帶信號(hào)擴(kuò)展其帶寬（通常達(dá)到物理或監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定的頻譜限制），成像系統(tǒng)希望每秒處理更多像素以更快地處理更高分辨率的圖像。系統(tǒng)正在重新架構(gòu)，以利用這種極端的處理能力，包括并行處理的趨勢(shì)，這可能意味著多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

另一個(gè)重要的架構(gòu)變化是多載波/多通道甚至軟件定義系統(tǒng)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的模擬密集型系統(tǒng)在模擬域中完成大部分信號(hào)調(diào)理工作（濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換）;信號(hào)在經(jīng)過(guò)精心準(zhǔn)備后以數(shù)字方式拍攝。這方面的一個(gè)例子是調(diào)頻收音機(jī)：給定的廣播電臺(tái)將是一個(gè) 200 kHz 寬的頻道，位于 88 MHz 到 108 MHz 的 FM 收音機(jī)頻段的某個(gè)地方。傳統(tǒng)接收器將目標(biāo)電臺(tái)的頻率轉(zhuǎn)換為10.7 MHz中頻，濾除所有其他通道，并將信號(hào)放大到最佳幅度以進(jìn)行解調(diào)。多載波架構(gòu)將整個(gè)20 MHz FM頻段數(shù)字化，數(shù)字處理用于選擇和恢復(fù)感興趣的無(wú)線電臺(tái)。雖然多載波方案需要更復(fù)雜的電路，但它提供了一些巨大的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：系統(tǒng)可以同時(shí)恢復(fù)多個(gè)電臺(tái)，包括邊帶站。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，多載波系統(tǒng)甚至可以通過(guò)軟件重新配置以支持新標(biāo)準(zhǔn)（例如，放置在無(wú)線電邊帶中的新高清無(wú)線電臺(tái)）。這種方法的最終擴(kuò)展是擁有一個(gè)可以接收所有頻段的寬帶數(shù)字化儀，以及一個(gè)可以恢復(fù)任何類型信號(hào)的強(qiáng)大處理器：這被稱為軟件定義無(wú)線電。其他領(lǐng)域也有等效的架構(gòu)——軟件定義儀器、軟件定義相機(jī)等?？梢詫⑵湟暈橄喈?dāng)于虛擬化的信號(hào)處理。這些靈活架構(gòu)的使能硬件是強(qiáng)大的數(shù)字處理和高速、高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖2.多承運(yùn)人示例

帶寬和動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)論是模擬還是數(shù)字信號(hào)處理，信號(hào)處理的基本維度都是帶寬和動(dòng)態(tài)范圍，這兩個(gè)因素決定了系統(tǒng)實(shí)際可以處理多少信息。對(duì)于通信，克勞德·香農(nóng)定理使用這兩個(gè)維度來(lái)描述通信渠道中可以攜帶多少信息的基本理論極限，但這些原則適用于各種制度。對(duì)于成像系統(tǒng)，帶寬決定了在給定時(shí)間內(nèi)可以處理的像素?cái)?shù)，動(dòng)態(tài)范圍決定了最暗的可感知光源與像素飽和點(diǎn)之間的強(qiáng)度或顏色范圍。

圖3.信號(hào)處理的基本維度

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用帶寬有一個(gè)由奈奎斯特采樣定理設(shè)定的基本理論極限——要表示或處理帶寬為 F 的信號(hào)，需要以至少 2 F 的采樣速率運(yùn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)注意，該定律適用于任何采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)——無(wú)論是模擬還是數(shù)字）。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，一定量的過(guò)采樣大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此2.5×至3×的信號(hào)帶寬更為典型。如前所述，不斷提高的處理能力提高了系統(tǒng)處理更大帶寬的能力，蜂窩電話、電纜系統(tǒng)、有線和無(wú)線 LAN、圖像處理和儀器儀表的系統(tǒng)趨勢(shì)正在轉(zhuǎn)向更多的寬帶系統(tǒng)。這種對(duì)帶寬日益增長(zhǎng)的需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有更高的采樣速率。

如果帶寬維度直觀清晰，則動(dòng)態(tài)范圍維度可能不太明顯。在信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)范圍表示系統(tǒng)無(wú)需縫合或削波即可處理的最大信號(hào)與系統(tǒng)可以有效捕獲的最小信號(hào)之間的擴(kuò)散?？梢钥紤]兩種類型的動(dòng)態(tài)范圍：浮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）前面的可編程增益放大器（PGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)（想象一下8位轉(zhuǎn)換器前面的12位PGA用于<>位浮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍）：當(dāng)增益設(shè)置為低時(shí)，這種安排可以捕獲大信號(hào)，而不會(huì)使轉(zhuǎn)換器過(guò)量程。當(dāng)信號(hào)非常小時(shí)，可以將PGA設(shè)置為高增益，以放大高于轉(zhuǎn)換器本底噪聲的信號(hào)。信號(hào)可以是強(qiáng)或弱的無(wú)線電臺(tái)，也可以是成像系統(tǒng)中的明亮或昏暗像素。這種浮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于一次只嘗試恢復(fù)一個(gè)信號(hào)的傳統(tǒng)信號(hào)處理架構(gòu)非常有效。

瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍更強(qiáng)大：在這種安排中，系統(tǒng)具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，可以同時(shí)捕獲大信號(hào)而不會(huì)削波，并且仍然可以恢復(fù)小信號(hào) - 現(xiàn)在我們可能需要一個(gè)14位轉(zhuǎn)換器。這一原則適用于許多應(yīng)用——恢復(fù)強(qiáng)弱的無(wú)線電臺(tái)或手機(jī)呼叫信號(hào)，或者一個(gè)圖像中非常明亮和非?；璋档牟糠?。隨著系統(tǒng)希望轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的信號(hào)處理算法，人們傾向于需要更大的動(dòng)態(tài)范圍。這允許系統(tǒng)處理更多信號(hào)——如果所有信號(hào)強(qiáng)度相同，并且您需要處理兩倍的信號(hào)，那么您需要增加 3 dB 的動(dòng)態(tài)范圍（所有其他條件相同）。也許更重要的是，如前所述，如果系統(tǒng)需要同時(shí)處理強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，則動(dòng)態(tài)范圍要求的提高可能會(huì)更加劇烈。

動(dòng)態(tài)范圍的不同測(cè)量

在數(shù)字信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵參數(shù)是信號(hào)表示中的位數(shù)或字長(zhǎng)：32位處理器比16位處理器具有更大的動(dòng)態(tài)范圍。太大的信號(hào)會(huì)被削波——這是一種高度非線性的操作，會(huì)破壞大多數(shù)信號(hào)的完整性。太小的信號(hào)（幅度小于1 LSB）變得無(wú)法檢測(cè)到并丟失。這種有限的分辨率通常被稱為量化誤差或量化噪聲，并且可能是確定可檢測(cè)性下限的一個(gè)重要因素。

量化噪聲也是混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)因素，但有許多因素可以決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動(dòng)態(tài)范圍，每個(gè)因素都有自己的規(guī)格：

信噪比（SNR） — 轉(zhuǎn)換器滿量程與頻帶內(nèi)總噪聲之比。這種噪聲可能來(lái)自量化噪聲（如上所述）、熱噪聲（存在于所有現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)中）或其他誤差項(xiàng)（如抖動(dòng)）。

靜態(tài)非線性 - 微分非線性。（DNL）和積分非線性（INL）—測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從輸入到輸出的直流傳遞函數(shù)的非理想性（DNL通常確定成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍）。

總諧波失真——靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非線性產(chǎn)生諧波音，可以有效地屏蔽其他信號(hào)。THD經(jīng)常限制音頻系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR） — 考慮與輸入信號(hào)相比的最高頻譜雜散，無(wú)論是二次諧波還是三次諧波時(shí)鐘饋通，甚至是 60 Hz 嗡嗡聲。由于頻譜音或雜散可以屏蔽小信號(hào)，SFDR可以很好地表示許多通信系統(tǒng)中的可用動(dòng)態(tài)范圍。

還有其他規(guī)格——事實(shí)上，每個(gè)應(yīng)用可能都有自己對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的有效描述。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率是其動(dòng)態(tài)范圍的良好首選指標(biāo)，但選擇正確的規(guī)格作為真正的決定非常重要。關(guān)鍵原則是越多越好。雖然許多系統(tǒng)立即認(rèn)識(shí)到在信號(hào)處理中需要更大的帶寬，但對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響可能不那么明顯，但要求更高。

值得注意的是，雖然帶寬和動(dòng)態(tài)范圍是信號(hào)處理的兩個(gè)主要維度，但考慮效率的第三個(gè)維度是有用的：這有助于我們回答“額外的性能將花費(fèi)我多少？我們可以從購(gòu)買價(jià)格的角度來(lái)考慮成本，但數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他電子信號(hào)處理在技術(shù)上更純粹的重量成本方法是功耗。性能更高的系統(tǒng)（具有更多帶寬或更大動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)）往往會(huì)消耗更多的功率。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們希望提高帶寬和動(dòng)態(tài)范圍，降低功耗。

主要應(yīng)用

如前所述，每個(gè)應(yīng)用在基本信號(hào)尺寸方面都有不同的要求，并且在給定的應(yīng)用中可以有廣泛的性能。例如，考慮 1 萬(wàn)像素相機(jī)與 10 萬(wàn)像素相機(jī)。圖4提供了一些不同應(yīng)用中通常需要的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍的代表性說(shuō)明。此圖表的上半部分通常被描述為高速轉(zhuǎn)換器，采樣率為 25 MHz 或更高，可以有效處理 10 MHz 或更高的帶寬。

圖4.繪制了一些典型應(yīng)用，以顯示其在帶寬（速度）和動(dòng)態(tài)范圍（分辨率位）方面的要求

值得注意的是，此應(yīng)用程序圖片不是靜態(tài)的。現(xiàn)有應(yīng)用可以利用新的、更高性能的技術(shù)來(lái)提高其功能，例如高清攝錄一體機(jī)或更高分辨率的 3D 超聲機(jī)器。每年都有全新的應(yīng)用出現(xiàn)，其中大部分新活動(dòng)將位于性能前沿的外緣：通過(guò)高速和高分辨率的新組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。這創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換器性能的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)，就像池塘中的漣漪一樣。

同樣重要的是要記住，大多數(shù)應(yīng)用都關(guān)注功耗：對(duì)于便攜式/電池供電應(yīng)用，功耗可能是主要技術(shù)限制，但即使是線路供電系統(tǒng)也發(fā)現(xiàn)信號(hào)處理元件（無(wú)論是模擬還是數(shù)字）的功耗最終限制了系統(tǒng)在給定物理區(qū)域內(nèi)的完成程度。

技術(shù)趨勢(shì)和創(chuàng)新——我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這一目標(biāo) . . .

鑒于這種應(yīng)用對(duì)提高高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的拉動(dòng)，業(yè)界已經(jīng)以技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步作為回應(yīng)。對(duì)先進(jìn)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)推動(dòng)來(lái)自幾個(gè)因素：

工藝技術(shù)：摩爾定律和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——半導(dǎo)體行業(yè)在不斷提高數(shù)字處理能力方面有著非凡的記錄，這在很大程度上是由晶圓加工向更精細(xì)的光刻技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)的。深亞微米CMOS晶體管的開(kāi)關(guān)速度比其前代產(chǎn)品高得多，使控制器、數(shù)字處理器和FPGA能夠以多GHz的速度時(shí)鐘。像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器這樣的混合信號(hào)電路也可以利用這些光刻技術(shù)的進(jìn)步，并“駕馭摩爾定律”到更高的速度，但對(duì)于混合信號(hào)電路，有一個(gè)缺點(diǎn)：更先進(jìn)的光刻工藝往往在越來(lái)越低的電源電壓下工作。這意味著模擬電路中的信號(hào)擺幅較小，使得將模擬信號(hào)保持在熱本底噪聲之上變得更加困難：以降低動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià)獲得更高的速度。

先進(jìn)的架構(gòu)（這不是您祖母的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）——作為半導(dǎo)體工藝進(jìn)步的補(bǔ)充，過(guò)去 20 年來(lái)，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)出現(xiàn)了幾波創(chuàng)新浪潮，有助于實(shí)現(xiàn)更大的帶寬和更大的動(dòng)態(tài)范圍以及卓越的電源效率。傳統(tǒng)上用于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法多種多樣，包括閃光、折疊、交錯(cuò)和流水線，這些方法仍然非常流行。它們加入了傳統(tǒng)上與低速應(yīng)用相關(guān)的架構(gòu)，包括逐次逼近寄存器（SAR）和?-∑，這些架構(gòu)已經(jīng)創(chuàng)造性地適應(yīng)了高速使用。每種架構(gòu)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：某些應(yīng)用程序傾向于根據(jù)這些權(quán)衡找到最喜歡的架構(gòu)。對(duì)于高速DAC，首選的架構(gòu)往往是開(kāi)關(guān)電流模式結(jié)構(gòu)，盡管這些結(jié)構(gòu)有許多變體，開(kāi)關(guān)電容方法一直在穩(wěn)步提高其速度，并且在一些嵌入式高速應(yīng)用中仍然特別受歡迎。

數(shù)字輔助方法——除了工藝和架構(gòu)之外，多年來(lái)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電路技術(shù)也出現(xiàn)了相當(dāng)多的創(chuàng)新。校準(zhǔn)方法已經(jīng)存在了幾十年，在補(bǔ)償集成電路固有的元件失配和允許電路達(dá)到更高的動(dòng)態(tài)范圍方面至關(guān)重要。校準(zhǔn)已經(jīng)超越了校正靜態(tài)誤差的領(lǐng)域，越來(lái)越多地用于補(bǔ)償動(dòng)態(tài)非線性，包括建立誤差和諧波失真。

綜上所述，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新大大推動(dòng)了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的最新技術(shù)。

讓它發(fā)揮作用

實(shí)現(xiàn)寬帶混合信號(hào)系統(tǒng)需要的不僅僅是正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這些系統(tǒng)可能對(duì)信號(hào)鏈的其他部分提出嚴(yán)格的要求。同樣，挑戰(zhàn)在于在寬帶寬上實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)范圍 - 讓更多信號(hào)進(jìn)出數(shù)字域，以利用那里的處理能力。

寬帶信號(hào)調(diào)理—在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理是盡快去除不需要的信號(hào)，然后放大所需的信號(hào)。這通常涉及選擇性濾波和針對(duì)目標(biāo)信號(hào)調(diào)諧的窄帶系統(tǒng)。這些調(diào)諧電路在實(shí)現(xiàn)增益方面非常有效，在某些情況下，可以使用頻率規(guī)劃技術(shù)來(lái)確保諧波或其他雜散落出帶外。寬帶系統(tǒng)不能使用這些窄帶技術(shù)，在這些系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寬帶放大可能非常具有挑戰(zhàn)性。

數(shù)據(jù)接口（傳統(tǒng)CMOS接口無(wú)法支持遠(yuǎn)大于100 MHz的數(shù)據(jù)速率），低電壓差分?jǐn)[幅（LVDS）數(shù)據(jù)接口的運(yùn)行頻率高達(dá)800 MHz至1 GHz。對(duì)于更大的數(shù)據(jù)速率，可以切換到多個(gè)總線接口，或移動(dòng)到SERDES接口。現(xiàn)代數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用高達(dá)12.5 GSPS的SERDES接口（如JESD204B標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定）——轉(zhuǎn)換器接口中可以使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道來(lái)支持不同的分辨率和速度組合。這些接口本身可能非常復(fù)雜。

時(shí)鐘接口—處理高速信號(hào)對(duì)系統(tǒng)所用時(shí)鐘的質(zhì)量也要求很高。時(shí)域中的抖動(dòng)/誤差轉(zhuǎn)化為信號(hào)中的噪聲或誤差，如圖5所示。為了處理大于100 MHz的信號(hào)，時(shí)鐘抖動(dòng)或相位噪聲可能成為轉(zhuǎn)換器可用動(dòng)態(tài)范圍的限制因素。數(shù)字質(zhì)量時(shí)鐘可能不足以滿足這些類型的系統(tǒng)，可能需要高性能時(shí)鐘。