数据转换器的状态和四个值得关注的主要趋势

作者：Majeed Ahmad，特约编辑

数据消耗的指数增长以及移动数据和高速互联网的日益增长的使用继续推动对模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 的需求。根据 Research and Markets 的数据，从 2017 年到 2021 年，对数据转换器的需求将以 8.9% 的复合年增长率增长。

以下是在下一代电子设计中采用 ADC 和 DAC 器件的一些关键模式。

1. 5G 的射频创新无线行业正稳步从 4G 向 5G 基础设施过渡，在这里，对宽输入带宽、更高采样率和更高频谱效率的需求正在推动数据转换器领域的创新。4G 和 5G 无线网络包含大量信号频段，这使得数据转换器成为整个射频信号链的关键部分。

首先，一种新型数据转换器现在提供直接到射频信号合成，从而简化无线电设计并降低整体系统成本。以 Analog Devices Inc. (ADI) 的 AD9208 模数转换器为例，它具有直接射频信号处理功能，因此无需混频器级。

ADI 的目标是将其基于 28 纳米工艺的新型 ADC 用于 4G 和 5G 网络的多频段无线回程设计。AD9208 有助于对超过 6 GHz 的宽带信号进行直接射频采样，从而使射频工程师能够简化前端滤波。

图 1：ADI 的 AD9208 模数转换器框图。

ADI 还为 4G 和 5G 多频段无线基站提供了 DAC。它提供高达 6 GHz 的直接到 RF 合成，无需 IF 到 RF 上变频级和本地振荡 (LO) 生成。AD9172 基于 28 纳米工艺构建，还可用于涉及千兆赫带宽应用的国防电子和仪器仪表用例。

2. 带有数据转换器的 FPGA另一个涉及数据转换器和 5G 基站的设计场所围绕 FPGA 汇聚。5G 基站广泛使用多输入多输出 (MIMO) 无线电，在这里，结合 ADC 和 DAC 电路的 FPGA 可以减少设计占用空间和材料清单 (BOM) 复杂性。

这些 FPGA 可以消除广泛的片外数据转换器以及模拟前端组件，例如基站设计中常用的混频器，并且可以执行从射频到数字的直接下变频。集成的 ADC 和 DAC 还降低了功耗，无需支持 FPGA 和分立数据转换器之间的片外 JESD204 串行链路。

图 2：Xilinx 的 Zynq SoC 器件中集成 ADC 和 DAC 电路的 RF 子系统视图。

当前的 4 x 4 和 8 x 8 MIMO 无线电在功耗和电路板空间方面存在困难，因此 Xilinx 等 FPGA 供应商正在考虑将数据转换器部署为块的想法。此外，赛灵思正在围绕 FinFET 工艺构建这些器件，与分立数据转换器相比，这将进一步提高能效优势。

FPGA 开发人员计划在其新的 FPGA 中以高达 4 Gsample/s 的速度运行 12 位 ADC 和高达 6.4 Gsample/s 的 14 位 DAC，该 FPGA 还将包括针对数字混合和滤波进行调整的 DSP 模块。Xilinx 的工程师相信他们可以有效地管理 FPGA 模拟和数字部分之间的隔离。

3. MCU 拥有智能模拟如果 FPGA 通过集成数据转换器成为 5G 基站设计的关键推动力，那么在设计价值链的低端，微控制器也在做同样的事情，以实现更小、更节能的物联网设计。

不起眼的 8 位微控制器将模数转换器与计算 (ADC 2 ) 相结合，以提供更准确的模拟传感器读数，并最终提供更高质量的最终用户数据。集成的 ADC 还有助于更快地转换模拟信号，从而产生更具确定性的系统响应。

Microchip 的新系列微控制器PIC16F18446专为传感器节点设计，采用 12 位 ADC 2 电路自动执行滤波。但更重要的是，ADC 2 具有仅在需要时唤醒 MCU 内核的能力，从而降低了功耗并允许传感器节点使用小型电池运行。

图 3：Microchip 精简了其PIC16F18446微控制器以增强模拟功能。

接下来，像 Microchip 的 ATmega4809 这样的微控制器正在将诸如内核独立外围 (CIP) 等功能整合到硬件而不是软件中。这减少了代码量并降低了软件工作的门槛。CIP 等智能模拟外设也可以在微控制器中执行命令和控制任务。

这降低了延迟响应的风险，并促进了更好的最终用户体验。ADC 的集成以及随后的 CIP 等技术也展示了智能模拟功能如何让 8 位微控制器创建更高效的物联网设计。

4. 录音棚品质的音频数据转换器在实现高分辨率音频内容以实现超高品质音乐播放方面也发挥着关键作用。它们有助于过滤不需要的噪声并提供对高抖动的免疫力。其次，它们确保低功耗，以最大限度地延长耳机等音乐播放设备的电池寿命。

Cirrus Logic 的 CS43130 数模转换器就是一个很好的例子。它消耗 23 毫瓦的功率，据这家音频芯片制造商称，这比市场上其他高保真 DAC 低四倍。它提供高达 32 位的分辨率和 384-kHz 的采样率，以提供卓越的音频质量。

图 4：DAC 芯片具有非过采样仿真模式，以确保消费设备的自然声音。

音频设计师正在模拟/数字滤波器阵列中使用此类数据转换器，以提供最高等级的数字音频源再现——换句话说，音乐或音频与工作室中原始录制的声音足够接近。

总结上述重点显示了数据转换器的增长故事主要围绕物联网、5G 和智能手机市场展开，尽管军事和国防应用也标志着数据转换器的重要增长点。然后是电信和数据中心领域，继续推动 ADC 和 DAC 需求。

在数据转换器技术领域内，精度、线性度、功率效率、可重复性和采样率等参数决定了特定设计的适用性。各种各样的数据转换器可以解决各种可能性。

审核编辑 黄昊宇