ADC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：從高性能轉(zhuǎn)向低功耗
新的應(yīng)用需求不斷推動(dòng)模擬技術(shù)的發(fā)展：性能越來(lái)越高，集成度不斷提高。ADC產(chǎn)品作為模擬IC的重要成員，在符合上述發(fā)展的趨勢(shì)下，還存在自身的特點(diǎn)……
當(dāng)使用“巧克力”手機(jī)時(shí)，不用按鍵只用輕觸那泛著深紅色光的區(qū)域，你是否知道電容感應(yīng)技術(shù)改變了你的體驗(yàn)；當(dāng)看到那小小的騎車機(jī)器人“村田頑童”可以前進(jìn)、倒退、爬坡并且停而不倒時(shí)，你是否知道其中使用了多種傳感器以檢測(cè)各個(gè)方向的傾斜角度和探測(cè)道路狀況；當(dāng)你驚嘆殘疾人可以自如地控制假肢完成復(fù)雜動(dòng)作時(shí)，你是否知道與假肢相連的探測(cè)器可以檢測(cè)人體肌肉的最細(xì)微運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢的控制；也許你并沒(méi)有留意到用手機(jī)通話時(shí)顯示屏?xí)詣?dòng)關(guān)閉以便降低功耗，這是手機(jī)檢測(cè)到顯示屏被物體（例如耳朵）遮住時(shí)的操作……所有這些都表明：用戶體驗(yàn)推動(dòng)半導(dǎo)體和技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)步，并在同時(shí)對(duì)模擬IC的性能提出更高要求。
同時(shí)，電子器件的集成度越來(lái)越高，例如AD9271在單一芯片上集成了一個(gè)完整的8通道超聲接收器，其中的一個(gè)通道就包含低噪聲放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和12位 ADC。雖然集成是大趨勢(shì)，但是還需要考慮成本，客戶需要，技術(shù)要求，工藝發(fā)展等諸多因素。ADI大中國(guó)區(qū)資深業(yè)務(wù)經(jīng)理周文勝說(shuō)，“當(dāng)性能指標(biāo)要求特別高時(shí)，采用集成的方案并不明智；市場(chǎng)上需要什么樣的芯片，芯片供應(yīng)商就應(yīng)該為實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)去做一些相應(yīng)的設(shè)計(jì)，ADI的‘智能分割’概念就是強(qiáng)調(diào)哪些功能模塊應(yīng)該集成，哪些功能模塊要分開(kāi)放，最終使設(shè)計(jì)達(dá)到最符合客戶的要求，也符合技術(shù)要求。把所有的芯片集成在一起，當(dāng)工藝都一樣時(shí)，整體BOM可以降低；但當(dāng)各芯片工藝不一樣時(shí)，如果硬要把它們集成在一起可能會(huì)造成整個(gè)BOM上升。”
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為模擬IC的一種，也同樣順應(yīng)上述模擬IC的發(fā)展趨勢(shì)，但是它還遵循自身發(fā)展的規(guī)律。從最初的11位分辨率、50 kSps采樣速率和500 W功耗的SAR型ADC到現(xiàn)在的16位分辨率、1MSps采樣速率并且僅7 mW功耗的ADC AD7980， ADC的性能已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步?，F(xiàn)有ADC存在7種結(jié)構(gòu)：falsh, half-flash, folding, SAR, pipelined, sigma-delta和未知結(jié)構(gòu)。其中piplined和未知結(jié)構(gòu)具有最佳的整體性能，所以它們非常適合例如無(wú)線收發(fā)器應(yīng)用和軍用等高性能要求的應(yīng)用；SAR ADC具有最寬的采樣速率，雖然它不是最快的，但由于低成本和低功耗使其很受歡迎。Sigma-delta ADC具有最高的分辨率，但是采樣速度較低，從kSps到MSps；而flash ADC由于其并行結(jié)構(gòu)具有最高采樣速率可達(dá)GSps，但是由于非線性使其分辨率限制在8位以內(nèi)。
在進(jìn)行ADC性能比較時(shí)通常使用品質(zhì)因數(shù)：P=2B×fs和F=(2B×fs)/Pdiss，其中B是SNR比特?cái)?shù)，fs是采樣速率；Pdiss是功耗。文獻(xiàn)1認(rèn)為，在開(kāi)發(fā)高功率效率的ADC設(shè)計(jì)上取得了顯著進(jìn)步，但是，ADC的分辨率和速度的乘積P在1993年~1999年的6年中幾乎沒(méi)有進(jìn)步。文獻(xiàn)[2]針對(duì)4家主要IC制造商(ADI, Maxim, NS和TI)的ADC產(chǎn)品的3個(gè)通用性能指標(biāo)(采樣速率、分辨率和功耗)分析后認(rèn)為：上述P并不是恒定的，而是在低采樣速率下部分P有一些改善；在高采樣速率下部分P有一定降低(見(jiàn)圖1)。
Sigma-delta和flash轉(zhuǎn)換器是上述7中結(jié)構(gòu)中僅有的F隨時(shí)間降低的兩種結(jié)構(gòu)。這兩種ADC針對(duì)特定要求，只有較窄的應(yīng)用范圍，它們都需要犧牲更多的功耗用于實(shí)現(xiàn)更高性能，這導(dǎo)致了F的降低。余下的SAR, pipelined等5種結(jié)構(gòu)滿足速度和分辨率的中等應(yīng)用要求，因而能獲得更高的F。二十多年來(lái)，ADC技術(shù)的發(fā)展一直被新應(yīng)用推動(dòng)，從而促進(jìn)P的增加。雖然UWB，OFDM和雷達(dá)系統(tǒng)等應(yīng)用推動(dòng)ADC性能極限發(fā)展，ADC設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)已經(jīng)從性能擴(kuò)展轉(zhuǎn)向降低功耗，這一挑戰(zhàn)在移動(dòng)通信和SDR應(yīng)用中尤為突出。
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