TI精益求精的ADC構筑工業系統核心

從近兩年德州儀器(TI)的各種舉措不難發現，TI的整體策略是著重往工業、汽車行業發展。那么TI為什么那么重視工業應用呢?從HIS公司2014年第二季度公布的數據來看，2013年全球工業半導體市場達到320億美元，并預計未來幾年該市場將平穩增長，到2018年將達約450億美元。目前，TI在工業半導體市場約占8%的市場份額，雖然處于領先地位，但是仍然有很大的成長空間。TI的“模擬帝國”是其引以為傲的，也是其在工業半導體大展拳腳的最大籌碼。模數轉換器作為連接模擬和數字世界的接口，一直是TI重視的產品。近日，TI就針對工業應用推出了兩款新的ADC，TI中國區高性能模擬產品業務發展經理宋浩然先生專程向記者介紹了新品，并講述了TI如何讓ADC與其他器件、工具配合服務于復雜的工業應用。

圖1 TI中國區高性能模擬產品業務發展經理宋浩然

整個工業行業都在說工業4.0，在這場新的工業革命背后模擬IC是核心。宋經理表示：“工業系統中的每一個應用系統都相對復雜。如圖2所示，數據轉換器在所有的工業器件選擇或者應用中起著非常重要的作用。不同數據轉換器產品就會給整個系統的速度、精度、整體功耗等各個方面帶來變化。這也是為什么我們重點為大家介紹TI最新開發的ADC3k產品以及ADS8688產品系列。這些產品的問世會對相關領域帶來很大的變化。”

圖2 工業系統的通用框圖

性能功耗比最佳的ADC3k

ADC3k具有業界最低功耗和最佳性能功耗比，在160 MSPS的最快采樣速率下，每通道功耗僅為200 mW，比市場同類產品低80 mW，可提供高達30%的功耗性能比。速率在25 MSPS時，功耗可低至44 mW。此外，ADC3k還有獨特的性能特性：可選高頻脈動及斬波功能不僅可改善無雜散動態范圍 (SFDR)，而且還可消除1/f噪聲，可幫助設計人員優化器件性能，滿足系統需求。這些特性，使其不僅適用于高性能電機控制、醫療影像與便攜式測量測試等工業應用，而且也適合軟件定義無線電與 MIMO 通信等應用。ADC3k是系列的產品，速度從25 MSPS到160 MSPS，可以負責不同采樣率的ADC。它提供雙通道或四通道，接口有LVDS和JESD204B兩種，因此采樣率、通道數變化、接口變化讓整個產品系列有32顆產品。

TI模擬產品是全而廣的，可以搭配使用也是其優勢之一。宋經理介紹到：“TI還專門配合ADC3k，推出了全新放大器THS4541以提升ADC3k的性能。THS4541具有出色的諧波失真性能與超低功耗，可最大限度提高性能。TI在開發這兩款產品時就相互考慮著對方，這兩個產品在應用中也最好是成對出現。”

精益求精的ADS8688

除了低功耗，系統整體精度往往是做高性能產品的企業最關心的問題。為此，宋經理介紹了TI新推出的一款SAR ADC ADS8688系列，其可實現最高總體系統精度：支持業界最低增益漂移、失調電壓及失調漂移，以及最高精度參考，可實現超過99.9%的高精度。

ADS8688系列集成了20款有源器件，能夠與無需信號調節的各種傳感器類型直接連接。 宋經理補充到：“用昂貴的分離元件也可以實現所需的結果，但非常復雜、昂貴，TI用一顆芯片就保證了最低增益漂移、失調電壓漂移以及更高精度和更高性能比。TI把工程師需要校正的工作放在TI測試過程中，把需要人工測試的步驟集成到芯片內部，并完成以前需要人工校驗才能完整的功能和性能，我個人認為它是一款劃時代的產品。”

除了高精度，其最大的特點就是允許高達±10.24 V的輸入范圍通過單5 V電源供電。宋經理表示：“工業現場干擾比較大，導致需要的信號也非常大，因此它的輸入可以高達10.24 V，這是非常標準的工業信號，范圍也很寬。過去要處理±10 V的信號，電源最起碼要12 V或15 V，導致電源系統非常復雜。ADS8688只用5 V電源，客戶可以完全節省掉正負電源的設計，PCB上不需要±10 V或±12 V的信號。”

重新定義高精度的概念

針對精度問題，宋經理表示：“TI的ADC、DAC產品線在不斷重新刷新高精度。其實高精度不僅僅是采樣速度越來越快，數據分辨率越來越高，這兩者的確是代表著ADC的標尺，但實際還有很多其他的指標來代表ADC的高精度。比如首款電感數字轉換器(LDC1000)，它已經讓我們感覺到了它的高精度不僅是比特數、位數和速度，它的高精度體現在直接對電感信號的測量，因此要重新定義高精度的概念。如果說你無限地要求高精度、高采樣率，其實在我們的設計過程當中不是一件難事，無非就是增加功耗、減小半導體工藝尺寸。但如果只是為了這個指標，而不是做最終的產品，就是徒勞的。最終的產品不僅是要看這兩個指標，還有綜合性指標，這是TI一直致力去提升的指標，要想其達到非常高的水平是非常難的。”

借著探究精度的這個機會，宋經理也為大家分析了一些人對于嵌入式處理器中集成的轉換器的誤區：“大家看到越來越多的MCU集成ADC，的確，包括TI的在內的處理器廠商都在這樣做，并且集成了比特數和速度越來越高的ADC，它的效果是在分辨率上，分辨率和精度這兩個指標經常被混淆，我們常說的16位、14位，這些都是分辨率，也就是ADC可以分辨的最小刻度，而客戶關注的是工業指標(千分之一或萬分之五)，是精度。精度是從輸入到輸出，MCU采樣，其間所有誤差的累計，從最小信號到最大信號，不管輸入什么信號，所測試的線路加起來能夠達到千分之一，這是精度的概念。當然，并不是ADC的精度越高，系統的精度就越高。即使用24位ADC，如果前端不好，中間電路設計不合理，可能連1/10都達不到。”

以ADS8688為例，其中集成了20款有源器件，經過測試和校驗，其最終達到的效果最大值也只有千分之零點五，也就是萬分之五，比特數就是11位。ADS8688也是16位的分辨率，但精度是二千分之一。它不僅包含精度的問題，還要把外圍的器件加起來，統計所有的誤差后而實現的精度，這才是客戶所關心，即整個系統達到多少精度。

ADC等模擬器件集成更多的有源器件是一種趨勢，宋經理認為這是一把雙刃劍：“集成度的提高肯定會帶來其他問題，可能它的覆蓋率沒有原來那么寬了，但它的針對性會更加明顯。例如ADS8688在集成了20多個有源器件之后更加適用于PLC應用了。

TI Design技術模式

TI Design是去年開始TI著重向工程師推廣的一種“技術模式”，就像商業模式一樣，這種模式也有待慢慢地培育，一旦成熟，將給TI帶來豐厚的利潤。因為工程師將不是買你一款芯片，而是整套參考設計中涉及的IC。

針對ADC3k，TI提供了高性能單端至差分有源接口參考設計TIDA-00294。該參考設計除了ADC3k還包括 THS4541 和 LMK04828 時鐘抖動清除器，針對AC及DC耦合單端輸入應用進行了優化，可滿足電機控制、醫療影像、便攜式測量測試以及國防軍備的應用需求。針對ADS8688，有兩個參考設計：(1)TIPD167，適用于電力自動化的 8 通道多路復用數據采集系統，包含理論、組件選擇、仿真、驗證和測量性能等，可深入了解采用多路復用 ADC 補償多相位計量系統的方法，支持±10 V振幅的0.002 036°補償相位差，典型頻率為 50 Hz;(2)TIDA-00164：適用于PLC應用的單電源模擬輸入模塊設計，其符合 IEC-61000 標準。

目前，TI主要專注于4個重要的工業領域：工廠自動化、樓宇自動化、電機驅動與控制以及名聲大噪智能電網。TI數據轉換器正在重新定義高精度、推進速度極限，并支持更便捷的設計，努力幫助其工業客戶改變設計和產品面貌，迎接工業4.0時代。