高速转换器：概述是什么、为什么以及如何

David H. Robertson

作为“现实世界”模拟域与数字世界1和0之间的网关，数据转换器是现代信号处理的关键要素。在过去的三十年中，数据转换方面的众多创新不仅使从医学成像到蜂窝通信再到消费者音频和视频的性能和架构都取得了进步，还有助于创建全新的应用。

宽带通信和高性能成像应用的不断扩展特别强调高速数据转换：能够处理带宽为10 MHz至1 GHz以上的信号的转换器。各种转换器架构被用于达到这些更高的速度，每种架构都有特殊的优势。高速在模拟域和数字域之间来回移动也给信号完整性带来了一些特殊的挑战——不仅对于模拟信号，而且对于时钟和数据信号也是如此。了解这些问题不仅在组件选择中很重要，甚至会影响整体系统架构的选择。

图1.

更快，更快，更快

在许多技术领域，我们已经将技术进步与更快的速度联系起来：从以太网到无线LAN再到蜂窝的数据通信都是为了更快地移动比特。微处理器、数字信号处理器和FPGA通过时钟速率的进步而大幅发展。它们主要通过缩小工艺光刻来实现，这些光刻提供了更小的晶体管，可以更快地切换（并且功耗更低）。这些动态创造了一个处理能力和数据带宽呈指数级增长的环境。这些强大的数字引擎对要处理的信号和数据的需求呈指数级增长：从静止图像到视频，再到宽带频谱，无论是有线还是无线。以 100 MHz 运行的处理器可能能够有效地处理带宽为 1 MHz 至 10 MHz 的信号：以多个 GHz 时钟速率运行的处理器可以处理带宽为数百 MHz 的信号。

更高的处理能力和速度自然会导致更快的数据转换：宽带信号扩展其带宽（通常达到物理或监管机构设定的频谱限制），成像系统希望每秒处理更多像素以更快地处理更高分辨率的图像。系统正在重新架构，以利用这种极端的处理能力，包括并行处理的趋势，这可能意味着多通道数据转换器。

另一个重要的架构变化是多载波/多通道甚至软件定义系统的趋势。传统的模拟密集型系统在模拟域中完成大部分信号调理工作（滤波、放大、频率转换）;信号在经过精心准备后以数字方式拍摄。这方面的一个例子是调频收音机：给定的广播电台将是一个 200 kHz 宽的频道，位于 88 MHz 到 108 MHz 的 FM 收音机频段的某个地方。传统接收器将目标电台的频率转换为10.7 MHz中频，滤除所有其他通道，并将信号放大到最佳幅度以进行解调。多载波架构将整个20 MHz FM频段数字化，数字处理用于选择和恢复感兴趣的无线电台。虽然多载波方案需要更复杂的电路，但它提供了一些巨大的系统优势：系统可以同时恢复多个电台，包括边带站。如果设计得当，多载波系统甚至可以通过软件重新配置以支持新标准（例如，放置在无线电边带中的新高清无线电台）。这种方法的最终扩展是拥有一个可以接收所有频段的宽带数字化仪，以及一个可以恢复任何类型信号的强大处理器：这被称为软件定义无线电。其他领域也有等效的架构——软件定义仪器、软件定义相机等。可以将其视为相当于虚拟化的信号处理。这些灵活架构的使能硬件是强大的数字处理和高速、高性能的数据转换。

图2.多承运人示例

带宽和动态范围

无论是模拟还是数字信号处理，信号处理的基本维度都是带宽和动态范围，这两个因素决定了系统实际可以处理多少信息。对于通信，克劳德·香农定理使用这两个维度来描述通信渠道中可以携带多少信息的基本理论极限，但这些原则适用于各种制度。对于成像系统，带宽决定了在给定时间内可以处理的像素数，动态范围决定了最暗的可感知光源与像素饱和点之间的强度或颜色范围。

图3.信号处理的基本维度

数据转换器的可用带宽有一个由奈奎斯特采样定理设定的基本理论极限——要表示或处理带宽为 F 的信号，需要以至少 2 F 的采样速率运行的数据转换器（请注意，该定律适用于任何采样数据系统——无论是模拟还是数字）。对于实际系统，一定量的过采样大大简化了系统设计，因此2.5×至3×的信号带宽更为典型。如前所述，不断提高的处理能力提高了系统处理更大带宽的能力，蜂窝电话、电缆系统、有线和无线 LAN、图像处理和仪器仪表的系统趋势正在转向更多的宽带系统。这种对带宽日益增长的需求要求数据转换器具有更高的采样速率。

如果带宽维度直观清晰，则动态范围维度可能不太明显。在信号处理中，动态范围表示系统无需缝合或削波即可处理的最大信号与系统可以有效捕获的最小信号之间的扩散。可以考虑两种类型的动态范围：浮点动态范围可以通过低分辨率模数转换器（ADC）前面的可编程增益放大器（PGA）来实现（想象一下8位转换器前面的12位PGA用于<>位浮点动态范围）：当增益设置为低时，这种安排可以捕获大信号，而不会使转换器过量程。当信号非常小时，可以将PGA设置为高增益，以放大高于转换器本底噪声的信号。信号可以是强或弱的无线电台，也可以是成像系统中的明亮或昏暗像素。这种浮点动态范围对于一次只尝试恢复一个信号的传统信号处理架构非常有效。

瞬时动态范围更强大：在这种安排中，系统具有足够的动态范围，可以同时捕获大信号而不会削波，并且仍然可以恢复小信号 - 现在我们可能需要一个14位转换器。这一原则适用于许多应用——恢复强弱的无线电台或手机呼叫信号，或者一个图像中非常明亮和非常昏暗的部分。随着系统希望转向更复杂的信号处理算法，人们倾向于需要更大的动态范围。这允许系统处理更多信号——如果所有信号强度相同，并且您需要处理两倍的信号，那么您需要增加 3 dB 的动态范围（所有其他条件相同）。也许更重要的是，如前所述，如果系统需要同时处理强信号和弱信号，则动态范围要求的提高可能会更加剧烈。

动态范围的不同测量

在数字信号处理中，动态范围的关键参数是信号表示中的位数或字长：32位处理器比16位处理器具有更大的动态范围。太大的信号会被削波——这是一种高度非线性的操作，会破坏大多数信号的完整性。太小的信号（幅度小于1 LSB）变得无法检测到并丢失。这种有限的分辨率通常被称为量化误差或量化噪声，并且可能是确定可检测性下限的一个重要因素。

量化噪声也是混合信号系统中的一个因素，但有许多因素可以决定数据转换器的可用动态范围，每个因素都有自己的规格：

信噪比 （SNR） — 转换器满量程与频带内总噪声之比。这种噪声可能来自量化噪声（如上所述）、热噪声（存在于所有现实世界系统中）或其他误差项（如抖动）。

静态非线性 - 微分非线性。（DNL）和积分非线性（INL）—测量数据转换器从输入到输出的直流传递函数的非理想性（DNL通常确定成像系统的动态范围）。

总谐波失真——静态和动态非线性产生谐波音，可以有效地屏蔽其他信号。THD经常限制音频系统的有效动态范围

无杂散动态范围 （SFDR） — 考虑与输入信号相比的最高频谱杂散，无论是二次谐波还是三次谐波时钟馈通，甚至是 60 Hz 嗡嗡声。由于频谱音或杂散可以屏蔽小信号，SFDR可以很好地表示许多通信系统中的可用动态范围。

还有其他规格——事实上，每个应用可能都有自己对动态范围的有效描述。数据转换器的分辨率是其动态范围的良好首选指标，但选择正确的规格作为真正的决定非常重要。关键原则是越多越好。虽然许多系统立即认识到在信号处理中需要更大的带宽，但对动态范围的影响可能不那么明显，但要求更高。

值得注意的是，虽然带宽和动态范围是信号处理的两个主要维度，但考虑效率的第三个维度是有用的：这有助于我们回答“额外的性能将花费我多少？我们可以从购买价格的角度来考虑成本，但数据转换器和其他电子信号处理在技术上更纯粹的重量成本方法是功耗。性能更高的系统（具有更多带宽或更大动态范围的系统）往往会消耗更多的功率。随着技术的进步，我们希望提高带宽和动态范围，降低功耗。

主要应用

如前所述，每个应用在基本信号尺寸方面都有不同的要求，并且在给定的应用中可以有广泛的性能。例如，考虑 1 万像素相机与 10 万像素相机。图4提供了一些不同应用中通常需要的带宽和动态范围的代表性说明。此图表的上半部分通常被描述为高速转换器，采样率为 25 MHz 或更高，可以有效处理 10 MHz 或更高的带宽。

图4.绘制了一些典型应用，以显示其在带宽（速度）和动态范围（分辨率位）方面的要求

值得注意的是，此应用程序图片不是静态的。现有应用可以利用新的、更高性能的技术来提高其功能，例如高清摄录一体机或更高分辨率的 3D 超声机器。每年都有全新的应用出现，其中大部分新活动将位于性能前沿的外缘：通过高速和高分辨率的新组合来实现。这创造了转换器性能的扩展优势，就像池塘中的涟漪一样。

同样重要的是要记住，大多数应用都关注功耗：对于便携式/电池供电应用，功耗可能是主要技术限制，但即使是线路供电系统也发现信号处理元件（无论是模拟还是数字）的功耗最终限制了系统在给定物理区域内的完成程度。

技术趋势和创新——我们如何实现这一目标 . . .

鉴于这种应用对提高高速数据转换器性能的拉动，业界已经以技术的持续进步作为回应。对先进高速数据转换器的技术推动来自几个因素：

工艺技术：摩尔定律和数据转换器——半导体行业在不断提高数字处理能力方面有着非凡的记录，这在很大程度上是由晶圆加工向更精细的光刻技术的进步推动的。深亚微米CMOS晶体管的开关速度比其前代产品高得多，使控制器、数字处理器和FPGA能够以多GHz的速度时钟。像数据转换器这样的混合信号电路也可以利用这些光刻技术的进步，并“驾驭摩尔定律”到更高的速度，但对于混合信号电路，有一个缺点：更先进的光刻工艺往往在越来越低的电源电压下工作。这意味着模拟电路中的信号摆幅较小，使得将模拟信号保持在热本底噪声之上变得更加困难：以降低动态范围为代价获得更高的速度。

先进的架构（这不是您祖母的数据转换器）——作为半导体工艺进步的补充，过去 20 年来，高速数据转换器架构出现了几波创新浪潮，有助于实现更大的带宽和更大的动态范围以及卓越的电源效率。传统上用于高速模数转换器的方法多种多样，包括闪光、折叠、交错和流水线，这些方法仍然非常流行。它们加入了传统上与低速应用相关的架构，包括逐次逼近寄存器（SAR）和∆-∑，这些架构已经创造性地适应了高速使用。每种架构都有自己的优点和缺点：某些应用程序倾向于根据这些权衡找到最喜欢的架构。对于高速DAC，首选的架构往往是开关电流模式结构，尽管这些结构有许多变体，开关电容方法一直在稳步提高其速度，并且在一些嵌入式高速应用中仍然特别受欢迎。

数字辅助方法——除了工艺和架构之外，多年来高速数据转换器的电路技术也出现了相当多的创新。校准方法已经存在了几十年，在补偿集成电路固有的元件失配和允许电路达到更高的动态范围方面至关重要。校准已经超越了校正静态误差的领域，越来越多地用于补偿动态非线性，包括建立误差和谐波失真。

综上所述，这些领域的创新大大推动了高速数据转换的最新技术。

让它发挥作用

实现宽带混合信号系统需要的不仅仅是正确的数据转换器，这些系统可能对信号链的其他部分提出严格的要求。同样，挑战在于在宽带宽上实现良好的动态范围 - 让更多信号进出数字域，以利用那里的处理能力。

宽带信号调理—在传统的单载波系统中，信号调理是尽快去除不需要的信号，然后放大所需的信号。这通常涉及选择性滤波和针对目标信号调谐的窄带系统。这些调谐电路在实现增益方面非常有效，在某些情况下，可以使用频率规划技术来确保谐波或其他杂散落出带外。宽带系统不能使用这些窄带技术，在这些系统中实现宽带放大可能非常具有挑战性。

数据接口（传统CMOS接口无法支持远大于100 MHz的数据速率），低电压差分摆幅（LVDS）数据接口的运行频率高达800 MHz至1 GHz。对于更大的数据速率，可以切换到多个总线接口，或移动到SERDES接口。现代数据转换器使用高达12.5 GSPS的SERDES接口（如JESD204B标准中规定）——转换器接口中可以使用多个数据通道来支持不同的分辨率和速度组合。这些接口本身可能非常复杂。

时钟接口—处理高速信号对系统所用时钟的质量也要求很高。时域中的抖动/误差转化为信号中的噪声或误差，如图5所示。为了处理大于100 MHz的信号，时钟抖动或相位噪声可能成为转换器可用动态范围的限制因素。数字质量时钟可能不足以满足这些类型的系统，可能需要高性能时钟。

图5.时钟误差如何变成信号误差

结论

宽带信号和软件定义系统的趋势正在加速，业界不断提出创新的新方法来构建更好、更快的数据转换器，将带宽、动态范围和功率效率的维度推向新的基准。

审核编辑：郭婷