模拟技术对数字化设备创造的重要必不可少因素

1、前言

数字化电子设备快速而准确地从我们的周围环境收集图象、语音和音频数据，并在数字领域内管理和控制这些数据的能力能引发任何时间与任何地点的通信，从而提高了计算性能。数字化电子设备还产生了更可靠和更便宜的医用电子设备，它为多样性消费类设备带来了激动人心的、交互式的多媒体内容。总体来说，上述这些进步已经将我们生活的世界置于数字化的控制和管理之中。

2、数字化电子设备中的模拟技术举足轻重

数字化电子设备中数字技术所信赖的优势只有当它和模拟技术的能力一样好时才能体现出来，其模拟技术能够正确地将由“1”和“0”表示的数字信号还原为人能够听到、看到、感觉或感知到的模拟信号。如果没有重大而且同步的模拟技术创新，那么数字革命的效果可能黯然失色。我们用数字方式捕获的信息越多，我们必须转换和还原的数据就越多-不论是实时的语音传输、音频信号还是视频图象。当今，如蜂窝手机不断减小外形尺寸并且不断增加功能设置，高端汽车音响系统的声音质量以及广播数字电视的高清晰度(HD)图象不仅是智能电路设计、先进制造工艺和高性能数字处理技术的产物，也是模拟设计不断进行创新的产物。例如，高速数字信号处理器(DSP)能使数字音频接收机通过增加多个音频通道来提高其性能。但是，每个新的通道都需要一个独立的功率放大器以便按照人耳容易分辨和舒适的方式驱动输出信号，见图1所示，为此作如下说明。

2.1 图1所示就是全数字音频组件以及数字+模拟音频的解决方案。

图1为其组成框图

为满足当今数字音频器件市场设计的需求，采用图1全数字音频组件以及数字十模拟音频的解决方案。可编程组件性能上的优越性和设计上的适用性，使得设计者可以以更具竞争力的价格去建构一个拥有更多功能、更逼真音效体验的音频系统。其模拟+数字信号处理(DSP)解决方案能是业界领先的数字信号处理(DSPs)、高性能的模拟器件到逻辑、扩展的应用软件组合，都将为从最复杂的到最简单的音频设计给出最可信赖的、精确的、高效能的解决方案。

数字电子设备的迅速增长实际上更加推动了对模拟IC的需求。在许多情况下，新的数字产品需要高集成度和高性能模拟IC达到新的水平，以便能够转换(见图2高性能24位，双/四通道立体声音频模数转换器)、调理和稳定信号以及控制和给链路供电，从而决定当今的高级系统功能。

2.2 高性能24位，双/四通道立体声音频模数转换器(ADC)PCM4202、PCM4204的主要特征。

图2为PCM4202、PCM4204的组成框图

PCM4204是专为专业音频应用而设计的高性能、四通道ADC。它支持采样频率高达216kHz的24位线性脉冲编码调制(PCM)输出数据。它也可通过配置而为两个通道输出经过64倍或128倍过采样的单比特直接流数字(DSD)数据。PCM4204同时也是DVD音频和超级音频CD(SACD)录音应用的理想选择。

应用：可在专业演播室设备与DVD音频和超级音频CD(SACD)上使用。

实际上，由于模拟技术创新使消费类终端获得了数字产品中的许多功能。值此，从应用趋势的举例作说明。

3、从应用趋势的举例观察模拟技术推动了和决定了数字化技术的前景

3.1 数据转换器技术的进步促使数码相机(DSC)性能提高有了突破

虽然DSP和微控制器(MCU)处理技术的进步已经以数字方式为快速地处理图象提供了所需的带宽，但是那些图象的质量依赖数码照相机模拟前端(AFE见图3的DSC方框图)中的高性能数据转换器(ADC)的能力来降低噪声并且增大动态范围。数据转换技术的进步还使得AFE解决了其它常见的性能问题.例如，降低功耗以延长电池的工作寿命，提高模数转换采样速率以提高照相机快门的速度，还有提高图象传感器的感光灵敏度以降低高分辨率照相机对闪光的要求。

图3为数码照相机方框图。从图3中可看出照相机模拟前端(AFE)和高速ADC将使DSC性能提高产生突破。

另外，模拟技术创新不仅仅提高了数码照相机的性能，它还有助于生产出多种新的数码照相机设计。例如，模拟技术和基于微电子机械系统(MEMS)的传感器相结合，为了避免拍出模糊的照片，通过增加陀螺仪和数据转换技术用于补偿照相机的“颤动”。

3.2 数字音频处理中的音频编解码器是DSP的性能充分发挥的关键

无论是处理家庭影院应用中的杜比5.1通道环绕立体声，还是高端汽车系统中的12通道音频，当今的音频信号链日益数字化。但是，实际上，信号链仅仅是名义上“全数字”而已，因为大量的多通道音频对模拟技术提出了新的性能要求。例如，多通道数字音频结构中存在固有的数字信号处理难题，需要设计工程师采用多个高性能模拟功率放大器来驱动扬声器(从图4中可看出)和能够转换模拟音频信号的音频编解码器，才能够不牺牲，或者说“放弃”DSP的性能。

3.21 杜比5.1通道环绕立体声家庭影院AV接收机。

图4为AV接收机方框图

该AV终端设备能够利用DVD音频和SACD高质量音频格式格式并不仅提供了最高的性能，还为客户提供了最经济的解决方案。。Aureus音频DSP提供了对种种音频解码格式的处理能力;Burr-Brown音频数据转换产品以其全方位的性能，同时支持最高端及最廉价的系统。从图4看出，它采用多个高性能模拟功率放大器-立体声数字功率调节放大控制器TAS5182(为具有更高性能的模拟功放)来驱动扬声器及能够转换模拟音频信号的音频编解码器PCM1850. 故该家庭影院AV接收机具有贯穿整个音频信号通路的优良模拟特性的高速传输率。

3.22 立体声数字功率调节放大控制器TAS5182的主要特征。

图5为TAS5182组成框图

TAS5182是TI高功率立体声数字音放大驱动器。功放功率150W时(RMS)能使波失真+噪声(THD+N)小于0.1%。

*主要特点为：立体声半桥(H-Bridge)驱动;高功率输出:150W 4Ω负载RMS状态，总谐波失真+噪声(THD+N)小于0.1%;100W 6Ω负载RMS状态，总谐波失真十噪声(THD+N)小于0.1%;90W 8Ω负载RMS状态，总谐波失真+噪声(THD+N)小于0.2%;全功率范围20-20kHz的总谐波失真十噪声(THD+N)小于0.10%;带错误报告自保护设定(包括低压、过温，短路保护);优异的音频特性为与TAS5518连接使用时信噪比(SNR)为110dB和总谐波失真+噪声(THD+N)为0?%(典型);支持从32kHz至192kHz的取样率;低电磁干扰设计通过必要的稳压实现;无暴音(pop)及点滴音(Cick)

*应用：AV接收机、DVD接收机、有源低频扩音器、微型/便携式组件及车载数字放大器。

另外在许多应用中，将多通道音频引入到越来越小的系统中，这就需要能够以高效率工作的低功耗和低成本的模拟IC。即使大批量生产的消费类音频系统也需要一流的音频转换器以便保证数字处理器达到最高性能所需的高性能和高精密度。

3.3 “数字”蜂窝手机的新款层出无穷推动了对新的模拟功能的需求

随着蜂窝基础设施从2G和2.5G到更高性能的2.75G和3G业务升级，推动了新一代智能更高、功能更丰富的手机的发展。语音、视频和数据的快速会聚允许在下一代手机中增加这样一些令人兴奋的功能，例如MP3或MP4音乐和广播电视。蜂窝手机市场已经朝着各种方向发展，因为制造商将划分其产品系列以便满足不同用户的需求和习惯。

然而，这些“数字”蜂窝手机中的功能也正在推动对新的模拟功能的需求，即高分辨率照相机集成到无线手机中的发展趋势，则要求提高模拟图象处理的性能、图象稳定性、聚焦和伸缩控制以及支持这些功能所必需的数据转换器和放大器。

再则，新的带有易读的彩色显示屏和用户界面更友好的手机，更需要先进的液晶显示屏(LCD)背光功率器件(见图6所示)。而且因为设计者将新的语音、视频和数据功能集成到这些平台中并且要管理多达20种不同的稳压电压，所以也需要先进的电源管理和电池充电IC来保证照相机的性能提高也不会缩短电池的寿命。

3.31 LCD及OLED显示屏的偏压电源TPS65120典型应用。

图6为TPS65120典型应用示意图

用于简化TFT显示器结构因素的四输出电源TPS65120为LCD及OLED显示器的偏压电源糸列之一。

3.311 其主要特点

*主要输出电压参数VMAIN：可调节电压，3.0V至5.6V/25mA;后稳压调节以减小纹波(5mVpp);±0.8%典型的精确正相输出，VGH;最高可至20V/2mA的电压调节;±3%典型的精确负相输出，VGL最低可至-18V/2mA的电压调节;±3%典型精度。

*互补的1.8V/3.3V线性调整.

*自动或可程序化的供电顺序。

*2.5V至5.5V的输入电压范围.

*输出短路保护。

*封装模式：16引脚QFN封装(3×3×0.9mm)

3.312 应用范围

可在蜂窝电话、智能电话、PDA、微型电脑PC、便携式DVD、数字静态相机(DSC)及数码摄像机等领域使用。

上述这些需求，再加上实现3G手机中基本通信引擎所需的先进的多频带、多模式射频(RF)和模拟接口功能涉及到的挑战，将使得无线手机中平均的模拟IC成本会在不久的将来从如今大约8美元上升到15美元以上。

3.4医学图象处理应用尤为突出，磁共振成像(MRI)中的应用就是典型之一

在医疗保健领域，大量数字技术的可用性和固定的系统向便携式设备的转变正推动着对各种新的高性能模拟IC的需求。例如，在医学图象处理应用中，高速的数字计算允许医生观察高分辨率的CT扫描图象和超声设备图象，以便更快更准确地评定重要器官或血管的状况。但是要想巧妙地利用这些新的性能，必须通过提高通道密度和改进AFE(模拟前端)性能来增强其产品的信号扑获能力。

可编可变增益放大器和模数转换器(ADC，见图7(a)所示)的最新进展增大了动态范围并且提高了图象质量.同时正交(I/Q)解调器和移相器IC提高了多普勒超声波系统的性能。另外，通过将多种功能和多通道集成到一颗单芯片中，这些高性能的模拟IC有助于设计工程师构建出更小、更便携的系统，因为显著减小了产品的外形尺寸和功耗。

3.41 4位 125MSPS ADCADS5500主要特征及在磁共振成像(MRI)中应用功能

*图7(a)为4位 125MSPS ADCADS5500功能方框图

ADS5500提供了完整的转换器解决方案。它包括高带宽线性采样及保持级和内部基准。ADS5500专为那些要求在非常狭小的空间里实现极高的速度和动态性能的应用而设计，具有780mW的低功耗并采用3.3V单电源电压。该器件提供一个内部基准，而且，并行CMOS兼容型输出可确保与公共逻辑电路的无缝连接。

*ADS5500与高速电流反馈放大器在磁共振成像(MRI)中的应用，见图7(b)所示。

ADS5500可在医学MRI设备的设计中采用。其14位分辨率提供了较高的SNR，这使得设计者能够降低实现高图像质量所需的磁场能量。此外，125MSPS的采样速率还为进行过采样创造了条件，这也有助于提高图像质量并简化滤波器要求。另外ADS5500还可在测试和测量仪表、单通道和多通道数字接收器及视频和成像。

3.5 新的模拟技术的采用动了高级电视的发展

虽然高清晰度电视和影院品质音响的出现是因为数字革命，但是新的模拟技术的采用和数字设计的创新一样，也推动了高级电视的发展。即使进入数字广播时代，电视机仍然需要两种接口，即数字接口和模拟接口以支持传统的录像机(VCR)、DVD播放器和便携式摄像机。能支持多种接口标准，从标准的模拟接口到新兴的高清晰度多媒体接口(HDMl)-高集成度的接口IC将被应用并满足从模拟或数字输入到先进的平面显示器连接的需求。

高性能音频处理器将有助于将模拟声音处理的任务转移到数字领域中，而且新高集成度的后级处理IC可以通过补偿薄型平面电视设计的局限性来提高音频质量。值此，以等离子显示电视音频信号通道(见图8(a))为例作一说明。从图8(a) 的等离子显示电视音频信号通道看出， 高效率的D类音频功率放大器以更高的功率解决了平板式显示器音频的两个问题：热消耗及功率消耗。低热量消散不再需要大的散热器。低功耗有效降低了交流/直流(AC/DC)电源的尺寸和成本。同样的，这些优点还使的平板式显示器尽可能的轻薄。

*20W立体声D类音频放大器TPA3100D2主要特征

图8(b)为TPA3100D2应用示意图

TPA3100D2是高效D类音频功率放大器.设计用于驱动桥接式立体声扬声器。TPA3100D2能驱动低至4Q的立体声扬声器。在播放音乐时，TPA3100D2的高效率(92%)使其不需要外置散热器。其主要特点为：高效D类运转;宽泛的10V至26V运转电源电压;4个集成增益设定;具有热保护及短路保护及错误报告。

应用：除了在等离子电视(PDP)应用之外，还可在CRT、数字光源处理电视(DLPTV)及液晶电视(LCDTV)方面使用.

4、结束语

从上分析，模拟技术是控制和管理现实世界中各种物理现象(例如图像、光、声音、运动、压力和温度)所需要的数据转换技术和前端信号处理技术，它对于创造一种有价值的、新型的数字化终端(设备)是非常重要的而且必不可少因素。因此，设计和开发模拟信号、数字信号和混合信号技术并且通过提高集成度、减小封装尺寸、降低功耗及降低了系统成本是满足能使数字设计流行的大众市场成本结构的关键。故作为设计者应选择合适的IC，将其数字设计的全部潜能带到现实生活中去。