作者：Majeed Ahmad，特約編輯

數(shù)據(jù)消耗的指數(shù)增長(zhǎng)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)和高速互聯(lián)網(wǎng)的日益增長(zhǎng)的使用繼續(xù)推動(dòng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的需求。根據(jù) Research and Markets 的數(shù)據(jù)，從 2017 年到 2021 年，對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求將以 8.9% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

以下是在下一代電子設(shè)計(jì)中采用 ADC 和 DAC 器件的一些關(guān)鍵模式。

1. 5G 的射頻創(chuàng)新無(wú)線行業(yè)正穩(wěn)步從 4G 向 5G 基礎(chǔ)設(shè)施過(guò)渡，在這里，對(duì)寬輸入帶寬、更高采樣率和更高頻譜效率的需求正在推動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的創(chuàng)新。4G 和 5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包含大量信號(hào)頻段，這使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為整個(gè)射頻信號(hào)鏈的關(guān)鍵部分。

首先，一種新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在提供直接到射頻信號(hào)合成，從而簡(jiǎn)化無(wú)線電設(shè)計(jì)并降低整體系統(tǒng)成本。以 Analog Devices Inc. (ADI) 的 AD9208 模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，它具有直接射頻信號(hào)處理功能，因此無(wú)需混頻器級(jí)。

ADI 的目標(biāo)是將其基于 28 納米工藝的新型 ADC 用于 4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)的多頻段無(wú)線回程設(shè)計(jì)。AD9208 有助于對(duì)超過(guò) 6 GHz 的寬帶信號(hào)進(jìn)行直接射頻采樣，從而使射頻工程師能夠簡(jiǎn)化前端濾波。

圖 1：ADI 的 AD9208 模數(shù)轉(zhuǎn)換器框圖。

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

2. 帶有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 FPGA另一個(gè)涉及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 5G 基站的設(shè)計(jì)場(chǎng)所圍繞 FPGA 匯聚。5G 基站廣泛使用多輸入多輸出 (MIMO) 無(wú)線電，在這里，結(jié)合 ADC 和 DAC 電路的 FPGA 可以減少設(shè)計(jì)占用空間和材料清單 (BOM) 復(fù)雜性。

這些 FPGA 可以消除廣泛的片外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及模擬前端組件，例如基站設(shè)計(jì)中常用的混頻器，并且可以執(zhí)行從射頻到數(shù)字的直接下變頻。集成的 ADC 和 DAC 還降低了功耗，無(wú)需支持 FPGA 和分立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(tǒng)視圖。

當(dāng)前的 4 x 4 和 8 x 8 MIMO 無(wú)線電在功耗和電路板空間方面存在困難，因此 Xilinx 等 FPGA 供應(yīng)商正在考慮將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器部署為塊的想法。此外，賽靈思正在圍繞 FinFET 工藝構(gòu)建這些器件，與分立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，這將進(jìn)一步提高能效優(yōu)勢(shì)。

FPGA 開(kāi)發(fā)人員計(jì)劃在其新的 FPGA 中以高達(dá) 4 Gsample/s 的速度運(yùn)行 12 位 ADC 和高達(dá) 6.4 Gsample/s 的 14 位 DAC，該 FPGA 還將包括針對(duì)數(shù)字混合和濾波進(jìn)行調(diào)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(shù)字部分之間的隔離。

3. MCU 擁有智能模擬如果 FPGA 通過(guò)集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為 5G 基站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵推動(dòng)力，那么在設(shè)計(jì)價(jià)值鏈的低端，微控制器也在做同樣的事情，以實(shí)現(xiàn)更小、更節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

不起眼的 8 位微控制器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算 (ADC 2 ) 相結(jié)合，以提供更準(zhǔn)確的模擬傳感器讀數(shù)，并最終提供更高質(zhì)量的最終用戶(hù)數(shù)據(jù)。集成的 ADC 還有助于更快地轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，從而產(chǎn)生更具確定性的系統(tǒng)響應(yīng)。

Microchip 的新系列微控制器PIC16F18446專(zhuān)為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，采用 12 位 ADC 2 電路自動(dòng)執(zhí)行濾波。但更重要的是，ADC 2 具有僅在需要時(shí)喚醒 MCU 內(nèi)核的能力，從而降低了功耗并允許傳感器節(jié)點(diǎn)使用小型電池運(yùn)行。

圖 3：Microchip 精簡(jiǎn)了其PIC16F18446微控制器以增強(qiáng)模擬功能。

接下來(lái)，像 Microchip 的 ATmega4809 這樣的微控制器正在將諸如內(nèi)核獨(dú)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(mén)檻。CIP 等智能模擬外設(shè)也可以在微控制器中執(zhí)行命令和控制任務(wù)。

這降低了延遲響應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，并促進(jìn)了更好的最終用戶(hù)體驗(yàn)。ADC 的集成以及隨后的 CIP 等技術(shù)也展示了智能模擬功能如何讓 8 位微控制器創(chuàng)建更高效的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

4. 錄音棚品質(zhì)的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)高分辨率音頻內(nèi)容以實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)音樂(lè)播放方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們有助于過(guò)濾不需要的噪聲并提供對(duì)高抖動(dòng)的免疫力。其次，它們確保低功耗，以最大限度地延長(zhǎng)耳機(jī)等音樂(lè)播放設(shè)備的電池壽命。

Cirrus Logic 的 CS43130 數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)很好的例子。它消耗 23 毫瓦的功率，據(jù)這家音頻芯片制造商稱(chēng)，這比市場(chǎng)上其他高保真 DAC 低四倍。它提供高達(dá) 32 位的分辨率和 384-kHz 的采樣率，以提供卓越的音頻質(zhì)量。

圖 4：DAC 芯片具有非過(guò)采樣仿真模式，以確保消費(fèi)設(shè)備的自然聲音。

音頻設(shè)計(jì)師正在模擬/數(shù)字濾波器陣列中使用此類(lèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以提供最高等級(jí)的數(shù)字音頻源再現(xiàn)——換句話說(shuō)，音樂(lè)或音頻與工作室中原始錄制的聲音足夠接近。

總結(jié)上述重點(diǎn)顯示了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的增長(zhǎng)故事主要圍繞物聯(lián)網(wǎng)、5G 和智能手機(jī)市場(chǎng)展開(kāi)，盡管軍事和國(guó)防應(yīng)用也標(biāo)志著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。然后是電信和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，繼續(xù)推動(dòng) ADC 和 DAC 需求。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，精度、線性度、功率效率、可重復(fù)性和采樣率等參數(shù)決定了特定設(shè)計(jì)的適用性。各種各樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以解決各種可能性。

審核編輯 黃昊宇