【導(dǎo)讀】作為"現(xiàn)實(shí)世界"模擬域與 1 和 0 構(gòu)成的數(shù)字世界之間的關(guān)口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代信號(hào)處理中的關(guān)鍵要素之一。過去 30 年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域涌現(xiàn)出了大量創(chuàng)新技術(shù)，這些技術(shù)不但助推了從醫(yī)療成像到蜂窩通信、再到消費(fèi)音視頻，各個(gè)領(lǐng)域的性能提升和架構(gòu)進(jìn)步，同時(shí)還為實(shí)現(xiàn)全新應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。
作為"現(xiàn)實(shí)世界"模擬域與 1 和 0 構(gòu)成的數(shù)字世界之間的關(guān)口，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代信號(hào)處理中的關(guān)鍵要素之一。過去 30 年，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域涌現(xiàn)出了大量創(chuàng)新技術(shù)，這些技術(shù)不但助推了從醫(yī)療成像到蜂窩通信、再到消費(fèi)音視頻，各個(gè)領(lǐng)域的性能提升和架構(gòu)進(jìn)步，同時(shí)還為實(shí)現(xiàn)全新應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。
寬帶通信和高性能成像應(yīng)用的持續(xù)擴(kuò)張凸顯出 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的特殊重要性：轉(zhuǎn)換器要能處理帶寬范圍在 10 MHz 至 1 GHz 以上的信號(hào)。人們通過多種各樣的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這些較高的速率，各有其優(yōu)勢(shì)。高速下在模擬域和數(shù)字域之間來回切換也對(duì)信號(hào)完整性提出了一些特殊的挑戰(zhàn)——不僅模擬信號(hào)如此，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)亦是如此。了解這些問題不僅對(duì)于組件選擇十分重要，而且甚至?xí)绊懻w系統(tǒng)架構(gòu)的選擇。
圖 1.
更快、更快、更快
在許多技術(shù)領(lǐng)域，我們習(xí)慣于把技術(shù)進(jìn)步與更高的速率關(guān)聯(lián)起來： 從以太網(wǎng)到無線局域網(wǎng)再到蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信的實(shí)質(zhì)就是不斷提高數(shù)據(jù)傳輸速率。通過時(shí)鐘速率的進(jìn)步，微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和 FPGA 發(fā)展十分迅速。這些器件主要得益于尺寸不斷縮小的蝕刻工藝，結(jié)果造就出開關(guān)速率更快、體積更小(而且功耗更低)的晶體管。這些進(jìn)步創(chuàng)造出一個(gè)處理能力和數(shù)據(jù)帶寬呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的環(huán)境。這些強(qiáng)大的數(shù)字引擎帶來了同樣呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理需求：從靜態(tài)圖像到視頻，到帶寬頻譜，無論是有線還是無線，均是如此。運(yùn)行時(shí)鐘速率為 100 MHz 的處理器或許能有效地處理帶寬為 1 MHz 至 10 MHz 的信號(hào)：運(yùn)行時(shí)鐘速率達(dá)數(shù) GHz 的處理器能夠處理帶寬達(dá)數(shù)百 MHz 的信號(hào)。
自然地，更強(qiáng)的處理能力、更高的處理速率會(huì)導(dǎo)致更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：寬帶信號(hào)擴(kuò)大其帶寬(往往達(dá)到物理或監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定的頻譜極限)，成像系統(tǒng)尋求提高每秒像素處理能力，以便更加快速地處理更高分辨率的圖像。系統(tǒng)架構(gòu)推陳出新，以利用極高的這種處理性能，其中還出現(xiàn)了并行處理的趨勢(shì)，這可能意味著對(duì)多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求。
架構(gòu)上的另一重要變化是走向多載波 / 多通道，甚至軟件定義系統(tǒng)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的模擬密集型系統(tǒng)在模擬域中完成許多信號(hào)調(diào)理工作(濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換)；在經(jīng)過充分準(zhǔn)備后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。一個(gè)例子是 FM 廣播：給定電臺(tái)的通道寬度通常為 200 kHz，F(xiàn)M 頻段范圍為 88 MHz 至 108 MHz。傳統(tǒng)接收器把目標(biāo)電臺(tái)的頻率轉(zhuǎn)換成 10.7 MHz 的中頻，過濾掉所有其他通道，并把信號(hào)放大到最佳解調(diào)幅度。多載波架構(gòu)將整個(gè) 20 MHz FM 頻段數(shù)字化，并利用數(shù)字處理技術(shù)來選擇和恢復(fù)目標(biāo)電臺(tái)。雖然多載波方案需要采用復(fù)雜得多的電路，但它具有極大的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：系統(tǒng)可以同時(shí)恢復(fù)多個(gè)電臺(tái)，包括邊頻電臺(tái)。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，多載波系統(tǒng)甚至可以通過軟件重新配置，以支持新的標(biāo)準(zhǔn)(例如，分配在無線電邊頻帶的新型高清電臺(tái))。這種方式的最終目標(biāo)是采用可以接納所有頻帶的寬帶數(shù)字化儀和可以恢復(fù)任何信號(hào)的強(qiáng)大處理器：這即是所謂的軟件定義無線電。其他領(lǐng)域中有等效的架構(gòu)——軟件定義儀表、軟件定義攝像頭等。我們可以把這些當(dāng)作虛擬化的信號(hào)處理等效物。使得諸如此類靈活架構(gòu)成為可能的是強(qiáng)大的數(shù)字處理技術(shù)以及高速、高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。
圖 2. 多載波示例
帶寬和動(dòng)態(tài)范圍
無論是模擬還是數(shù)字信號(hào)處理，其基本維度都是帶寬和動(dòng)態(tài)范圍——這兩個(gè)因素決定著系統(tǒng)實(shí)際可以處理的信息量。在通信領(lǐng)域，克勞德•香農(nóng)的理論就使用這兩個(gè)維度來描述一個(gè)通信通道可以攜帶的信息量的基本理論限值，但其原理卻適用于多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于成像系統(tǒng)，帶寬決定著給定時(shí)間可以處理的像素量，動(dòng)態(tài)范圍決定著最暗的可覺察光源與像素飽和點(diǎn)之間的強(qiáng)度或色彩范圍。
圖 3. 信號(hào)處理的基本維度
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用帶寬有一個(gè)由奈奎斯特采樣理論設(shè)定的基本理論限值——為了表示或處理帶寬為 F 的信號(hào)，我們需要使用運(yùn)行采樣速率至少為 2 F 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(請(qǐng)注意，本法則適用于任何采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)——模擬或數(shù)字都適用)。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，一定量的過采樣可極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此，更典型的數(shù)值是信號(hào)帶寬的 2.5 至 3 倍。如前所述，不斷增加的處理能力可提高系統(tǒng)處理更高帶寬的能力，而蜂窩電話、電纜系統(tǒng)、有線和無線局域網(wǎng)、圖像處理以及儀器儀表等系統(tǒng)都在朝著帶寬更高的系統(tǒng)發(fā)展。這種不斷提高帶寬需求要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具備更高的采樣速率。
如果說帶寬這個(gè)維度直觀易懂，那么動(dòng)態(tài)范圍這個(gè)維度則可能稍顯晦澀。在信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)范圍表示系統(tǒng)可以處理且不發(fā)生飽和或削波的最大信號(hào)與系統(tǒng)可以有效捕獲的最小信號(hào)之間的分布范圍。我們可以考慮兩類動(dòng)態(tài)范圍：可配置動(dòng)態(tài)范圍可以通過在低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前放置一個(gè)可編程增益放大器(PGA)來實(shí)現(xiàn)(假設(shè)對(duì)于 12 位的可配置動(dòng)態(tài)范圍，在一個(gè) 8 位轉(zhuǎn)換器前放置一個(gè) 4 位 PGA)：當(dāng)增益設(shè)為低值時(shí)，這種配置可以捕獲大信號(hào)而不會(huì)超過轉(zhuǎn)換器的范圍。當(dāng)信號(hào)超小時(shí)，可將 PGA 設(shè)為高增益，以將信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換器的噪底以上。信號(hào)可能是一個(gè)信號(hào)強(qiáng)或信號(hào)弱的電臺(tái)，也可能是成像系統(tǒng)中的一個(gè)明亮或暗淡的像素。對(duì)于一次只嘗試恢復(fù)一個(gè)信號(hào)的傳統(tǒng)信號(hào)處理架構(gòu)來說，這種可配置動(dòng)態(tài)范圍可能是非常有效的。
瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍更加強(qiáng)大：在這種配置中，系統(tǒng)擁有充足的動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)捕獲大信號(hào)而不產(chǎn)生削波現(xiàn)象，同時(shí)還能恢復(fù)小信號(hào)——現(xiàn)在，我們可能需要一個(gè) 14 位的轉(zhuǎn)換器。該原理適用于多種應(yīng)用——恢復(fù)強(qiáng)電臺(tái)或弱電臺(tái)信號(hào)，恢復(fù)手機(jī)信號(hào)，或者恢復(fù)圖像的超亮和超暗部分。在系統(tǒng)傾向使用更加復(fù)雜的信號(hào)處理算法的同時(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的需求也是水漲船高的走向。在這種情況下，系統(tǒng)可以處理更多信號(hào)——如果全部信號(hào)都具有相同的強(qiáng)度，并且需要處理兩倍的信號(hào)，則需要增加 3 dB 的動(dòng)態(tài)范圍(在所有其他條件相等的情況下)。可能更重要的是，如前所述，如果系統(tǒng)需要同時(shí)處理強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，則動(dòng)態(tài)范圍的增量要求可能要大得多。
動(dòng)態(tài)范圍的不同衡量指標(biāo)
在數(shù)字信號(hào)處理中，動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵參數(shù)是信號(hào)表示中的位數(shù)，或稱字長(zhǎng)：一個(gè) 32 位處理器的動(dòng)態(tài)范圍多于一個(gè) 16 位的處理器。過大的信號(hào)將發(fā)生削波——這是一種高度非線性的運(yùn)算，會(huì)破壞多數(shù)信號(hào)的完整性。過小的信號(hào)——幅度小于 1 LSB——將變得不可檢測(cè)并丟失掉。這個(gè)有限分辨率通常稱為量化誤差，或量化噪聲，在確立可檢測(cè)性下限時(shí)可能是一個(gè)重要因素。
量化噪聲也是混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)因素，但有多個(gè)因素決定著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的可用動(dòng)態(tài)范圍，而且每個(gè)因素都自己的動(dòng)態(tài)范圍
信噪比(SNR)——轉(zhuǎn)換器的滿量程與頻帶總噪聲之比。該噪聲可能來自量化噪聲(如上所述)、熱噪聲(所有現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中都存在)或其他誤差項(xiàng)(如抖動(dòng))。
靜態(tài)非線性度——微分非線性度(DNL)和積分非線性度(INL)——衡量從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入端到輸出端的直流傳遞函數(shù)的非理想程度的指標(biāo)(DNL 通常確定成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍)。
總諧波失真——靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非線性度會(huì)產(chǎn)生諧音，可能有效地屏蔽其他信號(hào)。THD 通常會(huì)限制音頻系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍。
無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)——考慮相對(duì)于輸入信號(hào)的最高頻譜雜散，無論是二階還是三階諧波時(shí)鐘饋通，甚至是 60 Hz 的"嗡嗡"噪聲。由于頻譜音或雜散可能屏蔽小信號(hào)，因此，SFDR 是用來表示許多通信系統(tǒng)中可用動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)良好指標(biāo)。
還有其他技術(shù)規(guī)格——事實(shí)上，每種應(yīng)用可能都有自己的有效動(dòng)態(tài)范圍描述方式。開始時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的分辨率是其動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)良好替代指標(biāo)，但在真正決定時(shí)選擇正確的技術(shù)規(guī)格是非常重要的。關(guān)鍵原則是，越多越好。雖然許多系統(tǒng)可以立即意識(shí)到需要更高的信號(hào)處理帶寬，但對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的需求卻可能不是如此直觀，即便要求更加苛刻。
值得注意的是，盡管帶寬和動(dòng)態(tài)范圍是信號(hào)處理的兩個(gè)主要維度，但還有必要考慮第三個(gè)維度，即效率：這有助于我們回答這樣一個(gè)問題："為了實(shí)現(xiàn)額外性能，我需要付出多少成本？"我們可以從購置價(jià)格來看成本，但對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他電子信號(hào)處理應(yīng)用來說，一種更加純粹的、衡量成本的技術(shù)手段是功耗。性能越高的系統(tǒng)——更大的帶寬或動(dòng)態(tài)范圍——往往要消耗更多的電能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們都試圖在提高帶寬和動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)減少功耗。
主要應(yīng)用
如前所述，每種應(yīng)用在基本信號(hào)維度方面都有著不同的要求，而在給定的應(yīng)用中，則可能有多種不同的性能。例如，一個(gè) 100 萬像素的攝像頭與一個(gè) 1000 萬像素的攝像頭。圖 4 展示了一些不同應(yīng)用通常要求的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。該圖的上半部分一般稱為高速——采樣速率為 25 MHz 及以上的轉(zhuǎn)換器，可以有效處理 10 MHz 或以上的帶寬。
圖 4. 一些典型應(yīng)用及其對(duì)帶寬(速率)和動(dòng)態(tài)范圍(分辨率位數(shù))的要求
需要注意的是，該應(yīng)用圖并非靜止不變的。現(xiàn)有應(yīng)用可能利用新的、性能更高的技術(shù)來提升其功能——例如，高清攝像機(jī)或者分辨率更高的 3D 超聲設(shè)備等。此外，每年還會(huì)涌現(xiàn)出全新的應(yīng)用——很大一部分新應(yīng)用將處于性能邊界的外邊緣處： 得益于高速與高分辨率的新組合。結(jié)果使轉(zhuǎn)換器性能邊緣不斷擴(kuò)大，就像池塘里的漣漪一樣。
同時(shí)還應(yīng)記住，多數(shù)應(yīng)用都需要關(guān)注功耗問題：對(duì)于便攜式 / 電池供電式應(yīng)用，功耗可能是主要技術(shù)限制條件，但是，即使是線路供電系統(tǒng)，我們也開始發(fā)現(xiàn)，信號(hào)處理元件(模擬也好，數(shù)字也好)的功耗最終會(huì)限制系統(tǒng)在給定物理區(qū)域的性能
技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和創(chuàng)新——如何實(shí)現(xiàn)……
鑒于這些應(yīng)用在不斷推高對(duì)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器性能的要求，業(yè)界以持續(xù)技術(shù)進(jìn)步的方式對(duì)此做出了回應(yīng)。技術(shù)對(duì)高級(jí)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的推動(dòng)來自以下幾個(gè)因素：
工藝技術(shù)：摩爾定律與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——半導(dǎo)體工業(yè)在持續(xù)推動(dòng)數(shù)字處理性能方面的成就有目共睹，其主要驅(qū)動(dòng)因素是晶圓處理工藝在走向更細(xì)間距微影蝕刻工藝方面取得的巨大進(jìn)步。深亞微米 CMOS 晶體管的開關(guān)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其前輩，使控制器、數(shù)字處理器和 FPGA 的運(yùn)行時(shí)鐘速率邁上了數(shù) GHz 的臺(tái)階。像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一樣的混合信號(hào)電路也可以利用蝕刻工藝領(lǐng)域取得的這些進(jìn)步，借"摩爾定律"之風(fēng)達(dá)到更高的速率——但對(duì)混合信號(hào)電路來說，這是有代價(jià)的：更先進(jìn)的蝕刻工藝的工作電源電壓有不斷降低的趨勢(shì)。這意味著，模擬電路的信號(hào)擺幅在縮小，增加了將模擬信號(hào)維持在熱噪底以上的困難：以縮水的動(dòng)態(tài)范圍為代價(jià)獲得更高的速率。
高級(jí)架構(gòu)(這不是原始時(shí)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)——在半導(dǎo)體工藝大步發(fā)展的同時(shí)，過去 20 年中，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)領(lǐng)域也出現(xiàn)了數(shù)波創(chuàng)新浪潮，為以驚人的功效實(shí)現(xiàn)更高的帶寬、更大的動(dòng)態(tài)范圍做出了巨大貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)上，有多種架構(gòu)方式用于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括全并行架構(gòu)(ash)、折疊架構(gòu)(folding)、交織架構(gòu)(interleaved)和流水線架構(gòu)(pipeline)，這些架構(gòu)方式至今仍然非常流行。后來，傳統(tǒng)上用于低速應(yīng)用的架構(gòu)也加入高速應(yīng)用陣營，包括逐次逼近寄存器(SAR)和 -，這些架構(gòu)專門針對(duì)高速應(yīng)用進(jìn)行了原創(chuàng)性的改動(dòng)。每種架構(gòu)都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：某些應(yīng)用一般根據(jù)這些折衷來確定最佳架構(gòu)。對(duì)于高速 DAC 來說，首選架構(gòu)一般是開關(guān)電流模式結(jié)構(gòu)，不過，這類結(jié)構(gòu)有許多變體；開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的速率穩(wěn)步提高，在一些嵌入式高速應(yīng)用中仍然十分流行。
數(shù)字輔助方法——多年以來，在工藝和架構(gòu)以外，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路技術(shù)也取得了輝煌的創(chuàng)新成就。校準(zhǔn)方法已有數(shù)十年的歷史，在補(bǔ)償集成電路元件失配以及提高電路動(dòng)態(tài)范圍方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。校準(zhǔn)已經(jīng)超越靜態(tài)誤差校正的范疇，越來越多地用于補(bǔ)償動(dòng)態(tài)非線性度，包括建立誤差和諧波失真。
總之，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新極大地促進(jìn)了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的發(fā)展。
實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)寬帶混合信號(hào)系統(tǒng)不僅僅要選擇正確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——這些系統(tǒng)可能對(duì)信號(hào)鏈的其他部分有著嚴(yán)苛的要求。同樣，挑戰(zhàn)是在較寬的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)范圍——使更多的信號(hào)進(jìn)出數(shù)字域，充分利用數(shù)字域的處理能力。
寬帶和信號(hào)調(diào)理—在傳統(tǒng)單載波系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理就是盡快消除無用信號(hào)，然后放大目標(biāo)信號(hào)。這往往涉及選擇性濾波以及針對(duì)目標(biāo)信號(hào)微調(diào)的窄帶系統(tǒng)。這些經(jīng)過微調(diào)的電路在實(shí)現(xiàn)增益方面可能非常有效，而且在某些情況下，可以利用頻率規(guī)劃技術(shù)來確保將諧波或其他雜散排除在帶外。寬帶系統(tǒng)不能使用這些窄帶技術(shù)，而且在這些系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寬帶放大可能面臨巨大的挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)接口—傳統(tǒng)的 CMOS 接口不支持大大超過 100 MHz 的數(shù)據(jù)速率——而且低電壓差分?jǐn)[幅(LVDS)數(shù)據(jù)接口運(yùn)行速率達(dá) 800 MHz 至 1 GHz。對(duì)于較大數(shù)據(jù)速率，我們可以使用多個(gè)總線接口，或者使用 SERDES 接口。現(xiàn)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用的是最高速率達(dá) 12.5 GSPS 的 SERDES 接口(規(guī)格見 JESD204B 標(biāo)準(zhǔn))——可以用多條數(shù)據(jù)通道來支持轉(zhuǎn)換器接口中分辨率和速率的不同組合。這些接口本身可能十分復(fù)雜。
時(shí)鐘接口—就系統(tǒng)中使用的時(shí)鐘的質(zhì)量來說，高速信號(hào)的處理也可能十分困難。時(shí)域中的抖動(dòng) / 誤差會(huì)轉(zhuǎn)換成信號(hào)中的噪聲或誤差，如圖 5 所示。在處理速率大于 100 MHz 的信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)或相位噪聲可能成為轉(zhuǎn)換器可用動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)限制因素。數(shù)字級(jí)時(shí)鐘可能無法勝任這類系統(tǒng)，可能需要使用高性能時(shí)鐘。
圖 5. 時(shí)鐘誤差變成信號(hào)誤差的方式
結(jié)論
走向更寬帶寬信號(hào)和軟件定義系統(tǒng)的步伐不斷加快，業(yè)界不斷推陳出新，涌現(xiàn)出構(gòu)建更好、更快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新方法，將帶寬、動(dòng)態(tài)范圍和功效三個(gè)維度推上了新的臺(tái)階。
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