作为“实践国际”模仿域与1和0构成的数字国际之间的关口，数据转化器已成为现代信号处理中的要害要素之一。 曩昔30年，数据转化范畴呈现出了很多立异技能，这些技能不光助推了从医疗成像到蜂窝通讯、再到消费音视频，各个范畴的功用前进和架构前进，一起还为完结全新运用发挥了重要效果。
宽带通讯和高功用成像运用的继续扩张凸显出高速数据转化的特别重要性——转化器要能处理带宽规模在10 MHz至1 GHz以上的信号。 人们通过多种各样的转化器架构来完结这些较高的速率，各有其优势。 高速下在模仿域和数字域之间来回切换也对信号完整性提出了一些特别的应战——不只模仿信号如此，时钟和数据信号亦是如此。 了解这些问题不只关于器材挑选十分重要，并且乃至会影响全体体系架构的挑选。
越来越快
在许多技能范畴，咱们习惯于把技能前进与更高的速率相关起来。 从以太网到无线局域网再到蜂窝移动网络，数据通讯的本质便是不断前进数据传输速率。 通过时钟速率的前进，微处理器、数字信号处理器和FPGA开展十分迅速，这首要得益于尺度不断缩小的蚀刻工艺，成果造就出开关速率更快、体积更小、功耗更低的晶体管。
这些前进创造出一个处理才能和数据带宽呈指数级添加的环境。 这些强壮的数字引擎带来了相同呈指数级添加的信号和数据处理需求，从静态图画到视频，到宽带频谱，无论是有线仍是无线，均是如此。 100 MHz的处理器或许能有用地处理带宽为1 MHz至10 MHz的信号，而运转时钟速率达数GHz的处理器则能够处理带宽达数百MHz的信号。
自然地，更强壮的处理才能、更高的处理速率会带来更快的数据转化。 宽带信号扩展其带宽(往往到达物理或监管组织设定的频谱极限)，成像体系寻求前进每秒像素处理才能，以便愈加速速地处理更高分辨率的图画。 体系规划移风易俗，以运用极高的这种处理功用，其间还呈现了并行处理的趋势，这或许意味着对多通道数据转化器的需求。
架构上的另一重要改变是走向“多载波/多通道”，乃至“软件界说”体系的趋势。 传统的“模仿密集型”体系在模仿域中完结许多信号调度作业(滤波、扩大、频率转化);在通过充分准备后，对信号进行“数字化处理”。
一个比如是FM播送。 给定电台的通道宽度一般为200 kHz，FM频段规模为88 MHz至108 MHz。 传统接收器把方针电台的频率转化成10.7 MHz的中频，过滤掉一切其他通道，并把信号扩大到最佳解调起伏。 多载波架构将整个20 MHz FM频段数字化，并运用数字处理技能来挑选和康复方针电台。
1.虽然电路往往较为杂乱，可是多个载波具有多种优势，例如多个电台的同步康复。
虽然多载波计划需求选用杂乱得多的电路，但它具有极大的体系优势(图1)。 例如，体系能够一起康复多个电台，包含“边频”电台。 假如规划妥当，多载波体系乃至能够通过软件重新装备，以支撑新的规范(例如，分配在无线电边带上的新式“高清”电台)。
这种办法的最终方针是选用能够接收一切频带的宽带数字化仪和能够康复任何信号的强壮处理器。 这便是所谓的“软件界说无线电”。 其他范畴中有等效的架构——“软件界说外表”、“软件界说摄像头”等。咱们能够把这些当作“虚拟化”的信号处理等效物。 使得诸如此类灵敏架构成为或许的是强壮的数字处理技能以及高速、高功用数据转化技能。
带宽和动态规模
无论是模仿仍是数字信号处理，其根本维度都是带宽和动态规模(图2)。 这两个要素决议着体系实践能够处理的信息量。 在通讯范畴，克劳德·香农的理论就运用这两个维度来描绘一个通讯通道能够带着的信息量的根本理论限值。
2.带宽和动态规模代表信号处理的根本维度。
但其原理却适用于多个范畴。 关于成像体系，带宽决议着给守时刻能够处理的像素量，动态规模决议着“最暗的”可察觉光源与像素“饱满”点之间的强度或颜色规模。
数据转化器的可用带宽有一个由奈奎斯特采样理论设定的根本理论限值——为了表明或处理带宽为F的信号，咱们需求运用运转采样速率至少为2F的数据转化器(请留意，本规律适用于任何采样数据体系——模仿或数字都适用)。 关于实践体系，必定程度的过采样可极大地简化体系规划，因而，更典型的数值是信号带宽的2.5至3倍。
如前所述，不断添加的处理才能可前进体系处理更高带宽的才能，而蜂窝电话、电缆体系、有线和无线局域网、图画处理以及仪器外表等体系都在朝着“带宽”更高的体系开展。 相应地，不断前进的带宽需求要求数据转化器具有更高的采样速率。
假如说带宽这个维度直观易懂，那么动态规模这个维度则或许稍显不流畅。 在信号处理中，动态规模表明体系能够处理且不发生饱满或削波的最大信号与体系能够有用捕获的最小信号之间的散布规模。
咱们能够考虑两类动态规模。 首要，“浮点”动态规模能够通过在低分辨率模数转化器(ADC)之前放置一个可编程增益扩大器(PGA)来完结;例如，关于12位的浮点动态规模，应在一个8位转化器前放置一个4位PGA。 当增益设为低值时，这种装备能够捕获大信号而不会逾越转化器的规模。 当信号极小时，可将PGA设为高增益，以将信号扩大到转化器的“噪底”以上。 信号或许是一个信号强或信号弱的电台，也或许是成像体系中的一个亮堂或昏暗的像素。 关于一次只测验康复一个信号的传统信号处理架构来说，这种浮点动态规模或许会十分有用。
其次，“瞬时”动态规模愈加强壮。 在这种装备中，体系具有足够的动态规模，能够捕获大信号而不发生削波现象，一起还能康复小信号。 这种情况下，或许需求一个14位的转化器。
该原理适用于多种运用——康复强电台或弱电台信号，康复手机信号，或许康复图画的超亮和超暗部分。 在体系倾向运用愈加杂乱的信号处理算法的一起，对动态规模的需求也是水涨船高。 这使得体系能够处理更多信号。 假如悉数信号都具有相同的强度，并且需求处理两倍的信号，则需求添加3 dB的动态规模(在一切其他条件持平的情况下)。 或许更重要的是，如前所述，假如体系需求一起处理强信号和弱信号，则动态规模的增量要求或许要大得多。
动态规模的不同衡量方针
在数字信号处理中，动态规模的要害参数是信号表明中的位数，或称字长。 简略来说，一个32位处理器的动态规模多于一个16位的处理器。 过大的信号将发生“削波”——这是一种高度非线性的运算，会损坏大都信号的完整性。 过小的信号(起伏小于1 LSB)将变得不行检测并丢失掉。 这种“有限分辨率”一般称为量化差错，或量化噪声，在树立可检测性“下限”时或许是一个重要要素。
量化噪声也是混合信号体系中的一个要素。 不过，数据转化器的可用动态规模由多个要素一起决议，并且每个要素都自己的规范：
• 信噪比(SNR)： 转化器的满量程与频带总噪声之比。 该噪声或许来自量化噪声(如上所述)、热噪声(一切实践体系中都存在)或其他差错项(如颤动)。
• 静态非线性度： 差分非线性度(DNL)和积分非线性度(INL)是衡量从数据转化器输入端到输出端的直流传递函数的非抱负程度的方针(DNL一般确认成像体系的动态规模)。
• 总谐波失真： 静态和动态非线性度会发生谐音，可有用地屏蔽其他信号。 THD一般会约束音频体系的有用动态规模。
• 无杂散动态规模(SFDR)： 考虑相关于输入信号的最高频谱“杂散”，无论是二阶仍是三阶谐波、时钟馈通，乃至是60 Hz的“嗡嗡”噪声。 因为频谱音或杂散可屏蔽小信号，因而，SFDR是用来表明许多通讯体系中可用动态规模的一个杰出方针。
还有其他规范可用。 实践上，每种运用都可具有自身的有用动态规模描绘。 开端时，数据转化器的分辨率是其动态规模的一个杰出“代替方针”，但在真实决议时挑选正确的技能规范是十分重要的。 要害原则是，越多越好。虽然许多体系能够当即意识到需求更高的信号处理带宽，但对动态规模的需求却或许不是如此直观，即使要求愈加苛刻。
值得留意的是，虽然带宽和动态规模是信号处理的两个首要维度，但还有必要考虑第三个维度，即“功率”。 这有助于咱们答复这样一个问题：“为了完结额定功用，我需求支付多少本钱?”咱们能够从置办价格来看本钱，但对数据转化器和其他电子信号处理运用来说，一种愈加朴实的、衡量本钱的技能手段是功耗。 功用越高的体系——更大的带宽或动态规模——往往要耗费更多的电能。 技能的不断前进推进着人们前进带宽和动态规模，一起削减功耗。
首要运用
如前所述，每种运用在这些“根本信号维度”方面都有着不同的要求，而在给定的运用中，则或许有多种不同的功用。 例如，一个100万像素的摄像头和1000万像素的摄像头。 图3展现了不同运用一般要求的带宽和动态规模。 该图的上半部分一般称为“高速”，意味着采样速率为25 MHz及以上的转化器，能够有用处理10 MHz或以上的带宽。
3.所示为一些典型运用对带宽(速度)和动态规模(分辨率位数)的要求。
需求留意的是，该“运用图”并非停止不变——现有运用或许运用新的、功用更高的技能来前进其功用，例如，高清摄像机或许分辨率更高的“3D”超声设备等。 每年还会呈现出全新的运用，很大一部分处于功用鸿沟的“外边际处”，这得益于高速与高分辨率的新组合。 成果使转化器功用“边际不断扩展”，就像池塘里的涟漪相同。
另一个重点是大大都运用具有功耗问题。 关于便携式/电池供电型运用，功耗或许是首要技能约束条件，可是，即使是线路供电体系，咱们也开端发现，信号处理元件(模仿也好，数字也好)的功耗最终会约束体系在给定物理区域的功用。
技能开展趋势和立异——怎么完结
鉴于这些运用在不断推高对高速数据转化器功用的要求，业界以继续技能前进的办法对此做出了回应。 技能对高档高速数据转化器的“推进”来自以下几个要素：
• 工艺技能： 摩尔定律与数据转化器——半导体工业在继续推进数字处理功用方面的成果众所周知，其首要驱动要素是晶圆处理工艺在走向更细距离微影蚀刻工艺方面取得的巨大前进。 深亚微米CMOS晶体管的开关速率远远逾越其长辈，使控制器、数字处理器和FPGA的运转时钟速率迈上了数GHz的台阶。
像数据转化器相同的混合信号电路也能够运用蚀刻工艺范畴取得的这些前进，借“摩尔定律”之风到达更高的速率。 但对混合信号电路来说，这是有价值的：蚀刻工艺越先进，其作业电源电压往往会越低。 这导致模仿电路的信号摆幅在缩小，添加了将模仿信号维持在热噪底以上的困难——以缩水的动态规模为价值取得更高的速率。
• 高档架构(这不是祖母年代的数据转化器)： 在半导体工艺大步开展的一起，曩昔20年中，高速数据转化器架构范畴也呈现了数波立异浪潮，为以惊人的成效完结更高的带宽、更大的动态规模做出了巨大贡献。 传统上，有多种架构办法用于高速ADC，包含全并行架构、折叠架构、交错架构和流水线架构，这些架构办法至今依然十分盛行。 后来，传统上用于低速运用的架构也参加高速运用阵营，包含逐次迫临寄存器(SAR)和Δ-Σ，这些架构专门针对高速运用进行了的改动。
每种架构都有自己的优势和下风。 某些运用一般依据这些折衷来确认“最佳”架构。 关于高速模数转化器(DAC)来说，首选架构一般是开关电流形式结构。 不过，这类结构有许多变体。 开关%&&&&&%结构的速率稳步前进，在一些嵌入式高速运用中依然十分盛行。
•“数字辅佐”办法： 多年以来，在工艺和架构以外，高速数据转化器电路技能也取得了光辉的立异成果。 校准办法已有数十年的前史，在补偿%&&&&&%元件失配以及前进电路动态规模方面发挥着至关重要的效果。 校准现已逾越静态差错校对的范畴，越来越多地用于补偿动态非线性度，包含树立差错和谐波失真。
总归，这些范畴的立异极大地促进了高速数据转化的开展。
完结
完结宽带混合信号体系不只仅要挑选正确的数据转化器——这些体系或许对信号链的其他部分有着苛刻的要求。 相同，应战是在较宽的带宽规模内完结优异的动态规模——使更多的信号进出数字域，充分运用数字域的处理才能。
• 宽带信号调度： 在传统“单载波”体系中，信号调度便是赶快消除无用信号，然后扩大方针信号。 这往往触及挑选性滤波以及针对方针信号“微调”的窄带体系。 这些通过微调的电路在完结增益方面或许十分有用，并且在某些情况下，频率规划技能有助于保证将谐波或其他杂散扫除在“带外”。 宽带体系不能运用这些窄带技能，并且在这些体系中完结宽带扩大或许面对巨大的应战。
• 数据接口： 传统的CMOS接口不支撑大大逾越100 MHz的数据速率——并且低电压差分摆幅(LVDS)数据接口运转速率达800 MHz至1 GHz。 关于较大数据速率，咱们能够运用多个总线接口，或许运用SERDES接口。 现代的数据转化器选用的是最高速率达12.5 GSPS的SERDES接口(规范见JESD204B规范)——能够用多条数据通道来支撑转化器接口中分辨率和速率的不同组合。 这些接口自身常常十分杂乱。
4.时钟颤动/差错变成信号噪声或差错。
• 时钟接口： 就体系中所用时钟的质量来说，高速信号的处理也或许好不容易。 时域中的颤动/差错会转化成信号中的“噪声”或差错，如图4中的信号所示。 在处理速率大于100 MHz的信号时，时钟颤动或相位噪声或许成为转化器可用动态规模的一个约束要素。 “数字级”时钟或许无法担任这类体系，或许需求运用高功用时钟。
总归，走向更宽带宽信号和“软件界说”体系的脚步不断加速，业界不断移风易俗，呈现出构建更好、更快数据转化器的立异办法，将带宽、动态规模和成效三个维度推上了新的台阶。
