高速轉換器：概述是什么、為什么以及如何

David H. Robertson

作為“現實世界”模擬域與數字世界1和0之間的網關，數據轉換器是現代信號處理的關鍵要素。在過去的三十年中，數據轉換方面的眾多創新不僅使從醫學成像到蜂窩通信再到消費者音頻和視頻的性能和架構都取得了進步，還有助于創建全新的應用。

寬帶通信和高性能成像應用的不斷擴展特別強調高速數據轉換：能夠處理帶寬為10 MHz至1 GHz以上的信號的轉換器。各種轉換器架構被用于達到這些更高的速度，每種架構都有特殊的優勢。高速在模擬域和數字域之間來回移動也給信號完整性帶來了一些特殊的挑戰——不僅對于模擬信號，而且對于時鐘和數據信號也是如此。了解這些問題不僅在組件選擇中很重要，甚至會影響整體系統架構的選擇。

圖1.

更快，更快，更快

在許多技術領域，我們已經將技術進步與更快的速度聯系起來：從以太網到無線LAN再到蜂窩的數據通信都是為了更快地移動比特。微處理器、數字信號處理器和FPGA通過時鐘速率的進步而大幅發展。它們主要通過縮小工藝光刻來實現，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）。這些動態創造了一個處理能力和數據帶寬呈指數級增長的環境。這些強大的數字引擎對要處理的信號和數據的需求呈指數級增長：從靜止圖像到視頻，再到寬帶頻譜，無論是有線還是無線。以 100 MHz 運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：以多個 GHz 時鐘速率運行的處理器可以處理帶寬為數百 MHz 的信號。

更高的處理能力和速度自然會導致更快的數據轉換：寬帶信號擴展其帶寬（通常達到物理或監管機構設定的頻譜限制），成像系統希望每秒處理更多像素以更快地處理更高分辨率的圖像。系統正在重新架構，以利用這種極端的處理能力，包括并行處理的趨勢，這可能意味著多通道數據轉換器。

另一個重要的架構變化是多載波/多通道甚至軟件定義系統的趨勢。傳統的模擬密集型系統在模擬域中完成大部分信號調理工作（濾波、放大、頻率轉換）;信號在經過精心準備后以數字方式拍攝。這方面的一個例子是調頻收音機：給定的廣播電臺將是一個 200 kHz 寬的頻道，位于 88 MHz 到 108 MHz 的 FM 收音機頻段的某個地方。傳統接收器將目標電臺的頻率轉換為10.7 MHz中頻，濾除所有其他通道，并將信號放大到最佳幅度以進行解調。多載波架構將整個20 MHz FM頻段數字化，數字處理用于選擇和恢復感興趣的無線電臺。雖然多載波方案需要更復雜的電路，但它提供了一些巨大的系統優勢：系統可以同時恢復多個電臺，包括邊帶站。如果設計得當，多載波系統甚至可以通過軟件重新配置以支持新標準（例如，放置在無線電邊帶中的新高清無線電臺）。這種方法的最終擴展是擁有一個可以接收所有頻段的寬帶數字化儀，以及一個可以恢復任何類型信號的強大處理器：這被稱為軟件定義無線電。其他領域也有等效的架構——軟件定義儀器、軟件定義相機等。可以將其視為相當于虛擬化的信號處理。這些靈活架構的使能硬件是強大的數字處理和高速、高性能的數據轉換。

圖2.多承運人示例

帶寬和動態范圍

無論是模擬還是數字信號處理，信號處理的基本維度都是帶寬和動態范圍，這兩個因素決定了系統實際可以處理多少信息。對于通信，克勞德·香農定理使用這兩個維度來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。對于成像系統，帶寬決定了在給定時間內可以處理的像素數，動態范圍決定了最暗的可感知光源與像素飽和點之間的強度或顏色范圍。

圖3.信號處理的基本維度

數據轉換器的可用帶寬有一個由奈奎斯特采樣定理設定的基本理論極限——要表示或處理帶寬為 F 的信號，需要以至少 2 F 的采樣速率運行的數據轉換器（請注意，該定律適用于任何采樣數據系統——無論是模擬還是數字）。對于實際系統，一定量的過采樣大大簡化了系統設計，因此2.5×至3×的信號帶寬更為典型。如前所述，不斷提高的處理能力提高了系統處理更大帶寬的能力，蜂窩電話、電纜系統、有線和無線 LAN、圖像處理和儀器儀表的系統趨勢正在轉向更多的寬帶系統。這種對帶寬日益增長的需求要求數據轉換器具有更高的采樣速率。

如果帶寬維度直觀清晰，則動態范圍維度可能不太明顯。在信號處理中，動態范圍表示系統無需縫合或削波即可處理的最大信號與系統可以有效捕獲的最小信號之間的擴散。可以考慮兩種類型的動態范圍：浮點動態范圍可以通過低分辨率模數轉換器（ADC）前面的可編程增益放大器（PGA）來實現（想象一下8位轉換器前面的12位PGA用于<>位浮點動態范圍）：當增益設置為低時，這種安排可以捕獲大信號，而不會使轉換器過量程。當信號非常小時，可以將PGA設置為高增益，以放大高于轉換器本底噪聲的信號。信號可以是強或弱的無線電臺，也可以是成像系統中的明亮或昏暗像素。這種浮點動態范圍對于一次只嘗試恢復一個信號的傳統信號處理架構非常有效。

瞬時動態范圍更強大：在這種安排中，系統具有足夠的動態范圍，可以同時捕獲大信號而不會削波，并且仍然可以恢復小信號 - 現在我們可能需要一個14位轉換器。這一原則適用于許多應用——恢復強弱的無線電臺或手機呼叫信號，或者一個圖像中非常明亮和非常昏暗的部分。隨著系統希望轉向更復雜的信號處理算法，人們傾向于需要更大的動態范圍。這允許系統處理更多信號——如果所有信號強度相同，并且您需要處理兩倍的信號，那么您需要增加 3 dB 的動態范圍（所有其他條件相同）。也許更重要的是，如前所述，如果系統需要同時處理強信號和弱信號，則動態范圍要求的提高可能會更加劇烈。

動態范圍的不同測量

在數字信號處理中，動態范圍的關鍵參數是信號表示中的位數或字長：32位處理器比16位處理器具有更大的動態范圍。太大的信號會被削波——這是一種高度非線性的操作，會破壞大多數信號的完整性。太小的信號（幅度小于1 LSB）變得無法檢測到并丟失。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性下限的一個重要因素。

量化噪聲也是混合信號系統中的一個因素，但有許多因素可以決定數據轉換器的可用動態范圍，每個因素都有自己的規格：

信噪比（SNR） — 轉換器滿量程與頻帶內總噪聲之比。這種噪聲可能來自量化噪聲（如上所述）、熱噪聲（存在于所有現實世界系統中）或其他誤差項（如抖動）。

靜態非線性 - 微分非線性。（DNL）和積分非線性（INL）—測量數據轉換器從輸入到輸出的直流傳遞函數的非理想性（DNL通常確定成像系統的動態范圍）。

總諧波失真——靜態和動態非線性產生諧波音，可以有效地屏蔽其他信號。THD經常限制音頻系統的有效動態范圍

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

還有其他規格——事實上，每個應用可能都有自己對動態范圍的有效描述。數據轉換器的分辨率是其動態范圍的良好首選指標，但選擇正確的規格作為真正的決定非常重要。關鍵原則是越多越好。雖然許多系統立即認識到在信號處理中需要更大的帶寬，但對動態范圍的影響可能不那么明顯，但要求更高。

值得注意的是，雖然帶寬和動態范圍是信號處理的兩個主要維度，但考慮效率的第三個維度是有用的：這有助于我們回答“額外的性能將花費我多少？我們可以從購買價格的角度來考慮成本，但數據轉換器和其他電子信號處理在技術上更純粹的重量成本方法是功耗。性能更高的系統（具有更多帶寬或更大動態范圍的系統）往往會消耗更多的功率。隨著技術的進步，我們希望提高帶寬和動態范圍，降低功耗。

主要應用

如前所述，每個應用在基本信號尺寸方面都有不同的要求，并且在給定的應用中可以有廣泛的性能。例如，考慮 1 萬像素相機與 10 萬像素相機。圖4提供了一些不同應用中通常需要的帶寬和動態范圍的代表性說明。此圖表的上半部分通常被描述為高速轉換器，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.繪制了一些典型應用，以顯示其在帶寬（速度）和動態范圍（分辨率位）方面的要求

值得注意的是，此應用程序圖片不是靜態的。現有應用可以利用新的、更高性能的技術來提高其功能，例如高清攝錄一體機或更高分辨率的 3D 超聲機器。每年都有全新的應用出現，其中大部分新活動將位于性能前沿的外緣：通過高速和高分辨率的新組合來實現。這創造了轉換器性能的擴展優勢，就像池塘中的漣漪一樣。

同樣重要的是要記住，大多數應用都關注功耗：對于便攜式/電池供電應用，功耗可能是主要技術限制，但即使是線路供電系統也發現信號處理元件（無論是模擬還是數字）的功耗最終限制了系統在給定物理區域內的完成程度。

技術趨勢和創新——我們如何實現這一目標 . . .

鑒于這種應用對提高高速數據轉換器性能的拉動，業界已經以技術的持續進步作為回應。對先進高速數據轉換器的技術推動來自幾個因素：

工藝技術：摩爾定律和數據轉換器——半導體行業在不斷提高數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的光刻技術的進步推動的。深亞微米CMOS晶體管的開關速度比其前代產品高得多，使控制器、數字處理器和FPGA能夠以多GHz的速度時鐘。像數據轉換器這樣的混合信號電路也可以利用這些光刻技術的進步，并“駕馭摩爾定律”到更高的速度，但對于混合信號電路，有一個缺點：更先進的光刻工藝往往在越來越低的電源電壓下工作。這意味著模擬電路中的信號擺幅較小，使得將模擬信號保持在熱本底噪聲之上變得更加困難：以降低動態范圍為代價獲得更高的速度。

先進的架構（這不是您祖母的數據轉換器）——作為半導體工藝進步的補充，過去 20 年來，高速數據轉換器架構出現了幾波創新浪潮，有助于實現更大的帶寬和更大的動態范圍以及卓越的電源效率。傳統上用于高速模數轉換器的方法多種多樣，包括閃光、折疊、交錯和流水線，這些方法仍然非常流行。它們加入了傳統上與低速應用相關的架構，包括逐次逼近寄存器（SAR）和?-∑，這些架構已經創造性地適應了高速使用。每種架構都有自己的優點和缺點：某些應用程序傾向于根據這些權衡找到最喜歡的架構。對于高速DAC，首選的架構往往是開關電流模式結構，盡管這些結構有許多變體，開關電容方法一直在穩步提高其速度，并且在一些嵌入式高速應用中仍然特別受歡迎。

數字輔助方法——除了工藝和架構之外，多年來高速數據轉換器的電路技術也出現了相當多的創新。校準方法已經存在了幾十年，在補償集成電路固有的元件失配和允許電路達到更高的動態范圍方面至關重要。校準已經超越了校正靜態誤差的領域，越來越多地用于補償動態非線性，包括建立誤差和諧波失真。

綜上所述，這些領域的創新大大推動了高速數據轉換的最新技術。

讓它發揮作用

實現寬帶混合信號系統需要的不僅僅是正確的數據轉換器，這些系統可能對信號鏈的其他部分提出嚴格的要求。同樣，挑戰在于在寬帶寬上實現良好的動態范圍 - 讓更多信號進出數字域，以利用那里的處理能力。

寬帶信號調理—在傳統的單載波系統中，信號調理是盡快去除不需要的信號，然后放大所需的信號。這通常涉及選擇性濾波和針對目標信號調諧的窄帶系統。這些調諧電路在實現增益方面非常有效，在某些情況下，可以使用頻率規劃技術來確保諧波或其他雜散落出帶外。寬帶系統不能使用這些窄帶技術，在這些系統中實現寬帶放大可能非常具有挑戰性。

數據接口（傳統CMOS接口無法支持遠大于100 MHz的數據速率），低電壓差分擺幅（LVDS）數據接口的運行頻率高達800 MHz至1 GHz。對于更大的數據速率，可以切換到多個總線接口，或移動到SERDES接口。現代數據轉換器使用高達12.5 GSPS的SERDES接口（如JESD204B標準中規定）——轉換器接口中可以使用多個數據通道來支持不同的分辨率和速度組合。這些接口本身可能非常復雜。

時鐘接口—處理高速信號對系統所用時鐘的質量也要求很高。時域中的抖動/誤差轉化為信號中的噪聲或誤差，如圖5所示。為了處理大于100 MHz的信號，時鐘抖動或相位噪聲可能成為轉換器可用動態范圍的限制因素。數字質量時鐘可能不足以滿足這些類型的系統，可能需要高性能時鐘。