從ADI最新旗艦產品管窺數據轉換器技術發展趨勢

ADI公司提供了業界最齊全、領先的模數轉換器(ADC)系列和數模轉換器(DAC)系列，這些產品實現了高采樣速率、高精度、低噪聲、低功耗、低價格及小型封裝尺寸的完美結合，能夠滿足工業和儀器儀表、醫療設備、汽車系統、通信基礎設施以及消費電子產品所需。傲視同儕的性能和價值是ADI在數據轉換器市場持續領先的關鍵。

美國市場調查公司Databeans的研究預測，從2011年到2015年，模數和數模轉換器市場將迎來9%的年增長率，其中以要求更高便攜性和更長電池使用時間的新興市場最為突出，其次是要求更高性能的傳統應用。事實上，從ADI公司近年來推出的系列數據轉換器產品也可以看出這樣的技術發展趨勢。本文將以ADI公司近年來推出的領先產品為例，管窺數據轉換器的技術發展趨勢。

功能集成滿足新興應用需求
無論是電池供電的便攜式產品還是市電供電的消費電子、工業及醫療電子產品，高集成度幾乎是共同的需求。高集成度帶來的不僅僅是更高的便攜性或更小的占位面積，對于很多產品來說還可以提升產品的功能、降低產品的設計難度和產品的BOM成本。特別是對于很多重要的行業應用來說，未來數據轉換器將延續功能集成的發展趨勢，工程師將可以在系統設計中利用到更多具有豐富功能特性的數據轉換器產品。

ADI年初推出的全集成模擬前端（AFE）系列芯片的首款產品ADAS1000 就是一個范例。ADAS1000將原有ECG系統前端的50多個有源器件集成在一顆芯片內，支持ECG系統實現監護級和診斷級性能，大大簡化了系統設計以及占板空間。如圖2的內部功能框圖所示，ADAS1000內部集成了完美的信號調理電路，在對ECG電極信號進行采樣之前即完成了多通道的信號調理。而且，ADAS1000還能通過軟件工具在芯片的高集成度和靈活性方面實現更好的平衡，用戶可以通過軟件平臺配置與芯片內各功能模塊對應的寄存器數據，從而為各功能塊設定不同的參數值，實現多種數字輸出選項。ADAS1000可有效用于各種ECG系統，包括診斷心電圖儀、床邊病人監護系統、動態監護儀和心臟除顫器。未來推出的該系列新產品還將提供更多優化特性和功能，以支持傳統及新興的ECG系統應用。

圖2：ADAS1000內部功能框圖。

ADI公司在四年前就曾推出了業界首款在單芯片上集成完整八通道超聲接收器的器件AD9271。而去年年底推出的新型八通道超聲模擬前端AD9278 和AD9279再次實現更多領先特性和功能的整合：集成的LNA/VGA、ADC和抗混疊濾波器克服了分立解決方案可能面臨器件間匹配的設計挑戰，并大大縮小了PCB尺寸；集成的連續波（CW）多普勒調制器幫助系統設計工程師進一步提高相對于分立解決方案的噪聲性能；具備高動態范圍I/Q解調器，可減小實現CW多普勒處理所需的功耗和面積。

高集成度的數據轉換器案例絕不僅限于醫療應用。AD7606數據采集芯片就在上一代產品基礎上，實現了8通道、16位、真雙極性、同步采樣ADC，單芯片內集成多個通道可支持變電站自動化設備中三相電流、電壓和零線的測量。同步采樣功能允許保留相位信息，同時可以在較寬的動態范圍內對雙極性電壓和電流進行采樣。AD7606系列的所有8個通道都能實現最高200 kSPS的采樣速率。它內置低噪聲、高阻抗輸入和信號調整放大器，可處理最高22 kHz的輸入頻率。高集成度使得每個AD7606只需9個低值陶瓷去耦電容就能工作，大大簡化信號調理電路并減少器件數量、電路板面積和測量保護板的成本，而且高集成度帶來的良好的通道間和器件間性能匹配大大簡化了校準程序。目前該產品在電力線路測量和保護系統中已經獲得了大量應用。

標桿性能支持產品創新
產品創新成為了近年來企業關注的熱點關鍵話題。如何創新？除了需要具有創新的產品設計理念，更關鍵的是需要利用創新的半導體技術來實現應用創新。縱觀近年來國內外推出的各種創新電子產品，作為連接模擬與數字世界的橋梁，數據轉換器的性能表現很多時候都扮演著至關重要的角色，未來電子產品技術的創新依然很大程度上需要依賴于數據轉換器的卓越性能表現。ADI一直引領著數據轉換器技術的變革，推出了大量具有行業標桿性能的產品， ADI依然認為數據轉換技術的創新還有很長的路，還有大量可以提高數據轉換器性能的技術創新機會等待發現。

ADI新近推出的針對儀器儀表和通信應用兩款模數轉換器AD9284 和AD9286 就再次樹立了該領域的性能新標桿：AD9284的310mW功耗創業界最低水平，是業界首款雙通道、8位、250 MSPS ADC，而AD9286則是業界功耗最低的8位、500 MSPS ADC，能以低于競爭產品40%的功耗提供8位分辨率。兩款轉換器均具有49.3 dBFS的高信噪比(SNR)，支持寬動態信號范圍，無雜散動態范圍(SFDR)達到65 dBc。這兩款產品的推出將有助于包括電池供電的儀器儀表、手持式示波器和數字示波器等實現卓越的性能特性。

2011年初，ADI公司推出了業界速度最快、達250MSPS的16位ADC——AD9467。與其它16位數據轉換器相比，這款16位、250 MSPS ADC可在能耗降低35%的情況下將采樣率提高25%，其信號處理性能達到新的高度，適合測試和測量儀器、防務電子以及通信等要求大帶寬高分辨率的應用。除了提供高分辨率和高采樣率，AD9467的SFDR（無雜散動態范圍）高達100 dBFs，SNR（信噪比）性能達76.4 dBFS。該器件在300MHz模擬輸入時達90 dBFs的SFDR和60 fs rms的抖動，使得工程師能在更高的中頻條件下提升系統性能，降低信號鏈的元器件數量，從而減少信號下變頻級數。AD9467的推出將推動雷達系統、頻譜分析儀以及用于無線基礎設施的多載波、多模式接收機技術的快速提升。

更低功耗慳下每個電荷

隨著節能環保的理念深入人心，低功耗已經成為幾乎所有電子產品設計師關注的關鍵特性之一，而作為對很多電子產品功耗特性具有重要影響的數據轉換器來說，其功耗特性通常在很大程度上決定了產品整體系統的功耗性能表現。如何通過采用先進的生產工藝、創新架構、以及更多獨特設計技術降低功耗將成為數據轉換器產品未來技術競爭的焦點之一。為此，ADI公司每年投入數千人的工程師技術團隊進行相關技術的研發，以保持在數據轉換器領域的持續領先。僅2011年一年，ADI就推出了近50款具有極低功耗特性的數據轉換器產品。

以智能變送器應用為例，作為基于微處理器的智能現場儀器，通常位于惡劣環境或遠程區域，借助附加通信協議支持，通過4-20 mA 模擬環路供電進行雙向通信。為智能變送器設計選擇電子電路時，功耗是首要考慮因素，因為這些現場儀器所處的位置決定了它們必須直接采用4-20 mA環路供電。AD5421是一款完整的環路供電數字至4-20mA變送器，這款新型DAC通過減少元件總數和降低內部功耗實現了極高的系統功效，功耗比競爭產品低50%，面積節省55%。在大大降低功耗的同時，AD5421還實現了競爭產品三倍的精度，并提供片內診斷功能、集成了可編程電壓調節電路以及具有高線性度和低漂移等獨特特性。

AD5755是ADI公司另外一款具有超低功耗的高度集成數據轉換器。AD5755采用了動態功率控制、功能完善的多通道控制，內置4個帶可編程電壓或4至20 mA輸出驅動器的16位精密DAC。與其它控制器技術相比，這款新型的轉換器降低了80%的功耗，凈散熱（硅片溫度減去環境溫度）增強75%。AD5755無與倫比的功能和性能組合所支持的通道數是其他集成轉換器的4倍，可以在單模擬I/O模塊中以兩倍的性能支持4倍之多的引腳。AD5755的動態功率控制功能通過降低功耗和自熱效應，滿足了客戶增加通道密度的需要，使制造商不必增加系統尺寸或犧牲其他性能參數，即可實現多通道設計。