作者：Majeed Ahmad，特約編輯

數據消耗的指數增長以及移動數據和高速互聯網的日益增長的使用繼續推動對模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 的需求。根據 Research and Markets 的數據，從 2017 年到 2021 年，對數據轉換器的需求將以 8.9% 的復合年增長率增長。

以下是在下一代電子設計中采用 ADC 和 DAC 器件的一些關鍵模式。

1. 5G 的射頻創新無線行業正穩步從 4G 向 5G 基礎設施過渡，在這里，對寬輸入帶寬、更高采樣率和更高頻譜效率的需求正在推動數據轉換器領域的創新。4G 和 5G 無線網絡包含大量信號頻段，這使得數據轉換器成為整個射頻信號鏈的關鍵部分。

首先，一種新型數據轉換器現在提供直接到射頻信號合成，從而簡化無線電設計并降低整體系統成本。以 Analog Devices Inc. (ADI) 的 AD9208 模數轉換器為例，它具有直接射頻信號處理功能，因此無需混頻器級。

ADI 的目標是將其基于 28 納米工藝的新型 ADC 用于 4G 和 5G 網絡的多頻段無線回程設計。AD9208 有助于對超過 6 GHz 的寬帶信號進行直接射頻采樣，從而使射頻工程師能夠簡化前端濾波。

圖 1：ADI 的 AD9208 模數轉換器框圖。

ADI 還為 4G 和 5G 多頻段無線基站提供了 DAC。它提供高達 6 GHz 的直接到 RF 合成，無需 IF 到 RF 上變頻級和本地振蕩 (LO) 生成。AD9172 基于 28 納米工藝構建，還可用于涉及千兆赫帶寬應用的國防電子和儀器儀表用例。

2. 帶有數據轉換器的 FPGA另一個涉及數據轉換器和 5G 基站的設計場所圍繞 FPGA 匯聚。5G 基站廣泛使用多輸入多輸出 (MIMO) 無線電，在這里，結合 ADC 和 DAC 電路的 FPGA 可以減少設計占用空間和材料清單 (BOM) 復雜性。

這些 FPGA 可以消除廣泛的片外數據轉換器以及模擬前端組件，例如基站設計中常用的混頻器，并且可以執行從射頻到數字的直接下變頻。集成的 ADC 和 DAC 還降低了功耗，無需支持 FPGA 和分立數據轉換器之間的片外 JESD204 串行鏈路。

圖 2：Xilinx 的 Zynq SoC 器件中集成 ADC 和 DAC 電路的 RF 子系統視圖。

當前的 4 x 4 和 8 x 8 MIMO 無線電在功耗和電路板空間方面存在困難，因此 Xilinx 等 FPGA 供應商正在考慮將數據轉換器部署為塊的想法。此外，賽靈思正在圍繞 FinFET 工藝構建這些器件，與分立數據轉換器相比，這將進一步提高能效優勢。

FPGA 開發人員計劃在其新的 FPGA 中以高達 4 Gsample/s 的速度運行 12 位 ADC 和高達 6.4 Gsample/s 的 14 位 DAC，該 FPGA 還將包括針對數字混合和濾波進行調整的 DSP 模塊。Xilinx 的工程師相信他們可以有效地管理 FPGA 模擬和數字部分之間的隔離。

3. MCU 擁有智能模擬如果 FPGA 通過集成數據轉換器成為 5G 基站設計的關鍵推動力，那么在設計價值鏈的低端，微控制器也在做同樣的事情，以實現更小、更節能的物聯網設計。

不起眼的 8 位微控制器將模數轉換器與計算 (ADC 2 ) 相結合，以提供更準確的模擬傳感器讀數，并最終提供更高質量的最終用戶數據。集成的 ADC 還有助于更快地轉換模擬信號，從而產生更具確定性的系統響應。

Microchip 的新系列微控制器PIC16F18446專為傳感器節點設計，采用 12 位 ADC 2 電路自動執行濾波。但更重要的是，ADC 2 具有僅在需要時喚醒 MCU 內核的能力，從而降低了功耗并允許傳感器節點使用小型電池運行。

圖 3：Microchip 精簡了其PIC16F18446微控制器以增強模擬功能。

接下來，像 Microchip 的 ATmega4809 這樣的微控制器正在將諸如內核獨立外圍 (CIP) 等功能整合到硬件而不是軟件中。這減少了代碼量并降低了軟件工作的門檻。CIP 等智能模擬外設也可以在微控制器中執行命令和控制任務。

這降低了延遲響應的風險，并促進了更好的最終用戶體驗。ADC 的集成以及隨后的 CIP 等技術也展示了智能模擬功能如何讓 8 位微控制器創建更高效的物聯網設計。

4. 錄音棚品質的音頻數據轉換器在實現高分辨率音頻內容以實現超高品質音樂播放方面也發揮著關鍵作用。它們有助于過濾不需要的噪聲并提供對高抖動的免疫力。其次，它們確保低功耗，以最大限度地延長耳機等音樂播放設備的電池壽命。

Cirrus Logic 的 CS43130 數模轉換器就是一個很好的例子。它消耗 23 毫瓦的功率，據這家音頻芯片制造商稱，這比市場上其他高保真 DAC 低四倍。它提供高達 32 位的分辨率和 384-kHz 的采樣率，以提供卓越的音頻質量。

圖 4：DAC 芯片具有非過采樣仿真模式，以確保消費設備的自然聲音。

音頻設計師正在模擬/數字濾波器陣列中使用此類數據轉換器，以提供最高等級的數字音頻源再現——換句話說，音樂或音頻與工作室中原始錄制的聲音足夠接近。

總結上述重點顯示了數據轉換器的增長故事主要圍繞物聯網、5G 和智能手機市場展開，盡管軍事和國防應用也標志著數據轉換器的重要增長點。然后是電信和數據中心領域，繼續推動 ADC 和 DAC 需求。

在數據轉換器技術領域內，精度、線性度、功率效率、可重復性和采樣率等參數決定了特定設計的適用性。各種各樣的數據轉換器可以解決各種可能性。

審核編輯 黃昊宇