數據轉換器是把模擬和數字世界聯系起來的關鍵信號模塊。它們把由傳感器、變送器以及熱電偶產生的信號進行數字化轉換，從而得到可供分析、處理、存儲并由計算機顯示的數據。

數據轉換器實際上使得每一種應用的功能得到增強，如在通信、網絡、儀器、工業過程控制、醫療和軍事航空領域、蜂窩基站接收機、機頂盒、便攜式收音機、有線電視基礎設施、網卡、數據采集系統、測試設備以及工業和醫療成像系統等等，不一而足。

對高速通信、高分辨率顯示器、高性能音視頻等功能不斷增加的需求以及與日俱增的數字內容，對信號調理電路提出了更為嚴格的性能要求，特別是在數據轉換器的要求上。

據市場分析公司Databeans的分析，2008年數據轉換器市場比前一年增長了18%，并有望超越整個半導體行業的增長率。然而，2009年預計增長將大為放緩，僅僅為10%～12%。從長期來看，數據轉換器市場在2013年之前將以11%的年復合增長率持續發展。增長最快的領域在通信以及醫療成像市場。

2013年數據轉換器的單位出貨量將從2008年的27億美元增長至大約60億美元。2012年該市場將從2006年的20億美元增加至37億美元。然而，因市場和金融危機所致，這些產品的平均售價有望下降。

圖1：工業應用是數據轉換器的最大市場。

這是一個非常有利可圖的IC市場，因而吸引了許多新的進入者，盡管該市場仍然由大多數模擬供應商主宰。2008年ADI公司占據了整個數據轉換器市場47%的份額，TI和Maxim以19%和10%的份額緊隨其后。其它供應商包括凌力爾特、Fairchild、Intersil、ST以及美國國家半導體（NS）。最后要提一下，高性能數據轉換器市場占有率在上升。2008年，數據轉換器市場占整個標準線性器件市場總銷售收入的17%，并且大約相當于整個模擬器件市場的7%。

高性能數據轉換

ADC（模數轉換器）的選擇是基于若干系統準則，如分辨率、轉換速度、功率要求、物理尺寸、處理器兼容性以及接口結構。ADC必須具備足夠的比特（bit）數以獲得應用所需要的分辨率以及精度。

高速A/D轉換器跟蹤快速變化信號的方法是在各個時刻對信號幅度進行數字采樣，它們已經成為了區分需要信號采集以及處理的各種高性能設計的根本組成部分。其特點在于具有高分辨率以及每秒千兆采樣點的采樣速度。

許多新興的應用需要高速A/D轉換器，以提供在處理高頻輸入信號中的更佳動態性能。例如，在無線基站中，數據轉換確保獲得出眾的語音質量。高速A/D轉換器是需要信號下行變換的通信系統的關鍵;在嵌入式和DSP處理中，最新一代的網絡切換就需要外部高性能模擬元器件。數據轉換器的性能要求與DSP的要求密切相關。實際上，大多數應用均采用DSP來處理由各種傳感器采集的模擬信號中的信息。對ADC的選擇常常也依賴于模擬信號被讀出的方式。除了分辨率和速度之外，數據轉換器的其他性能，如時鐘系統以及電路板信號的布線對于最終應用也至關重要。

分辨率、轉換速度以及功耗不再是選擇A/D轉換器的唯一準則，其它準則包括有效數字位（ENOB）、信噪比（SNR）、無雜散動態范圍（SFDR）以及信道隔離度。例如，蜂窩基站對原始bit分辨率的要求就不如對SNR（它使得蜂窩信道數更多）以及SFDR（它允許在存在強干擾信號時檢測出弱信號）的要求高。

目前上市的新一代ADC給新興市場帶來了更高的性能以及更低的成本。高速12bit轉換器正首次向新興的應用供貨。例如，機頂盒需要10bit和12bit的分辨率，以及針對視頻信號捕獲的MHz級采樣率。從設計和工藝技術的觀點來看，這些ADC的性價比已經最優化。在高性能的A/D轉換器中，噪聲和功耗是關鍵的參數。

另一個重要的要求就是小外形。正是因為這一原因，數據轉換器生產商也投資于先進的封裝技術。

TI公司最近推出了業內第一款單信道D/A轉換器家族，它以SC70封裝供貨，比標準的SOT23器件要小40%。其特點在于具有1.8V@80μA的低功耗，因此，這些器件對于電池供電和手持應用、自動測試設備、精密儀器、波形發生器、工業過程控制以及醫療設備是有吸引力的。

數據轉換器制造商承諾針對特殊的應用推出產品。

通用器件與之相反，其特點在于采樣速度要低一個數量級，并且更加適合監控系統以及采集諸如溫度和電壓這樣的控制參數。這種元器件的一個例子就是ADI的AD7294ADC，它是一種高度集成的器件，提供了諸如電流、電壓以及溫度感測這樣的通用目的監測應用所需要的所有功能。這種轉換器在一個芯片上集成了對電流、電壓和溫度進行感測和控制所需要的全部功能。

圖2：針對醫療應用的ADC的選擇以若干準則為基礎，如分辨率、轉換速度、功耗要求、物理尺寸以及接口結構。

為了獲得所需要的性能，在確保時鐘速度和精度以及PCB（印制電路板）設計時，要掌握高速數字、線性、RF（射頻）以及一些儀器技術方面的設計技能。

為了實現上述目的，獲得完整的參考設計是關鍵。

采用分立ADC，還是集成ADC

最近幾年，模擬設計工程師也趨向于越來越多地采用系統級設計方法。

ADC越來越多地被實現在SoC（系統芯片）上，特別是用于移動通信系統的ADC。最新一代的消費和移動通信系統需要延長電池壽命，正是出于這一考慮，廠家制造了低壓供電的SoC。因此，ADC也被集成進低壓供電的SoC之中。

嵌入式數據轉換器在消費電子應用中受到了歡迎，在該領域的應用中，至關重要的是以最小的空間來集成各種系統，但是，付出的代價是性能欠最優化。

市場存在越來越多地把混合信號數據轉換器集成進SoC（系統芯片）之中的需求。

這就給設計工程師提出了新的挑戰：在數字域是專家的設計團隊，在集成模擬IP的過程中面臨新的挑戰。進一步說，把混合信號數據轉換器集成進SoC之中，滿足所需要的性能，代表著一項充滿挑戰的任務，并且它會給項目引入高風險。

數據轉換器代表著在模擬IP市場一個日益增長的領域。在市場上有大量的嵌入式轉換器IP，其中，每一種嵌入式轉換器IP均被設計為滿足特定的用戶需求。

例如，模擬與混合信號IP核提供商CosmicCircuits公司已經宣布，其產品線中有超過20個A/D轉換器核是用于監控應用的。其IP核產品線包括分辨率為8～10bit的A/D轉換器，以及速度從200 Ksps至20Msps的A/D轉換器，它們通常被用于監控應用。這些A/D轉換器的理想應用包括觸摸屏控制和電池電壓、溫度、RF功率電平、電源電平等的監測，以及傳感器驅動和若干控制環路的應用。

相比之下，在高性能應用中分立器件受到歡迎，因為它們相對于嵌入式A/D轉換器來說提供更高的性能以及較大的靈活性。正是出于這個原因，它們在高端應用中受到歡迎。

在工業和醫療應用中對數據轉換器的需求

新級別的高性能、小外形、低功耗數據轉換器提供高速響應、多信道以及低延遲，這些是非常重要的工業以及醫療應用所特別需要的。

工業是數據轉換器的最大市場。出于提高生產效率、控制庫存以及縮短上市時間等考慮，工業精密設備工程師采用具有多信道的模塊化數據轉換方法。設計工程師依賴于客戶的需要，要求靈活性地改變分辨率并快速地改變信道數。

Microchip公司的MCP3001 10bitADC在小的封裝中實現了高性能及低功耗，使之成為嵌入式控制應用的理想選擇。該器件的特色在于采用了逐次逼近寄存器（SAR）架構以及工業標準的SPI串行接口，讓10bitADC的性能可被添加至該公司的PIC系列單片機中。MCP3001的應用包括數據采集、儀表和車輛、多信道數據記錄器、工業PC、電機控制、機器人、工業自動化、智能傳感器、便攜式儀器以及家庭醫療設備。

數據轉換器在醫療電子應用中也發揮越來越大的作用。據市場分析公司Prismark Partners分析，醫療設備市場占全球電子行業營業額的4%，且營收以每年平均5.6%的速率增長，到2010年將達到660億美元的市場規模。醫療電子設備包括可植入式設備、診斷儀器以及監測設備。該市場將由個人便攜式醫療設備的爆炸式增長點燃，這些個人便攜式醫療設備越來越緊湊，并將在精度、成本以及簡便性上持續獲得改善。便攜式醫療監測系統，如血液分析或血壓測量系統，讓人們能夠方便地檢查身體;這些設備被用于遠程監測病人的關鍵參數;這些設備被放置在家中，醫院以及急救車可進行非見面式（non-invasive）治療。大多數便攜式監測以及醫療成像系統均設計為從病人那里接收某種信號的傳感器陣列。

因此，這些設備需要對信號調理電路進行一些組合，包括放大器、濾波器以及把從傳感器讀出的模擬讀數轉換為數字的ADC，之后，這些數據才能存儲在醫療設備的存儲器或在顯示屏上顯示。除了尺寸小之外，模擬電路—特別是ADC的性能—是精確讀出傳感器的輸出的關鍵。數據轉換器還應具有低功耗的特點，以提供更長的電池壽命以及更長時間的讀數。

醫療用ADC的選擇要基于若干準則，如分辨率、轉換速度、功率要求、物理尺寸以及接口結構。ADC必須具有足夠的比特以獲得精度規范所要求的分辨率。典型的要求包括至少12bit的分辨率以及1Msps或以上的轉換速度。醫療應用既需要高轉換速率（大于40～50Msps）以及精密的ADC，也需要與處理器兼容，以免采用額外的膠合邏輯;因此，對ADC架構、接口結構以及ADC時序的選擇均與系統處理器的選擇有關。

便攜式醫療應用通常采用SAR ADC。該架構是測量從穩態至幾MHz信號的理想選擇。這些ADC還具有響應快和延遲低的特點。另一個突出優點是功耗低，它隨著采樣率而變化，與其它的ADC架構如閃爍或流水線型ADC不同。

ADI推出了稱為PulSAR的16bit SARADC，其采樣率在6Msps至10Msps間，鎖定的是新一代數字X射線系統、磁共振成像（MRI）設備以及計算機X射線斷層攝影術系統。PulSAR家族ADC以CMOS工藝為基礎，ADC架構具有零數據延遲率，它是精密數據采集系統的關鍵參數。

凌力爾特公司推出的LTC2366 12bit SARADC的工作速度高達3Msps，工作電壓從2.35V至3.6V;該器件以最大輸出速率工作時僅消耗7.2mW功率，比市場上類似器件的功耗少20%。因外形尺寸的減小以及功耗非常低，LTC2366成為各種便攜式應用的選擇之一，包括醫療設備。

Maxim推出的低功耗數據采集系統MAX1329集成了精密的、用于信號調理以及感測的數據轉換器。MAX1329的特點在于具有基于SAR的16bit分辨率的ADC，因此，是諸如血糖傳感器等應用的理想選擇。

通信應用對數據轉換器的要求

高性能12、14和16bit器件是下一代通信系統的關鍵元器件，它們把現有的技術推向了新的極限。高性能模數轉換是把發射和接受鏈路數字化的關鍵。這種技術不僅對ADC的性能提出了重要的要求，而且對新的靈活性和簡化性提出了要求。無線基站需要更多的信道以支持復雜的新興空中接口標準，這就迫切需要更快和更低功耗的數據轉換器。

NS不久前推出了16bit 130MSPS ADC，其特點在于具有高線性性能以及低功耗，應用鎖定在特別高容量、高性能多標準無線基站接收機。

此外，富士通微電子歐洲（FME）公司已經開始供應基于新的充電模式交織采樣器技術（CHAIS）的新型超快ADCIP。這一架構使得在單芯片上集成多顆ADC以及幾百萬門的信號處理邏輯以及存儲器成為可能。它不需要采用昂貴的多芯片模塊（MCM）技術。其ADC的特點在于采樣率高達100Gsps，采用65nmCMOS工藝技術制造，預計2009年可以開始供貨。該技術的應用最初鎖定100G光傳輸，也可用于高端測試設備以及任何需要高速數據轉換及處理的其它系統。與傳統的、通常采用SiGe工藝技術制造的高速數據轉換器相比，這些器件提供更低的功耗、更小的外形。（周智勇譯）

圖3：許多新興的應用需要高速ADC，以提供處理高頻輸入信號時需要的更高動態性能。例如，在無線基站中，數據轉換確保提供較高的語音質量。

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