信号链的集成与去集成

　　摘要：研究了混合信号链中的每一个模块集成的可能性，重点讨论了ADC和DAC，并分析了模块功能的集成与去集成的利弊。

　　关键词：信号链;ADC;DAC;集成;去集成

　　概述

　　混合信号解决方案是不可阻挡的趋势。我们希望电子设备能够与我们交互，当我们靠近时，车门应当自动开锁，当我们坐在电脑前，电脑应当能自动开启，或者至少，屏幕保护程序应当有所动作，表示它很高兴我们回来了。当我们身处低光照条件下时，手机屏幕应当变暗以节约能量，温度调节装置应当把房间温度保持在一个舒适范围内。人类是模拟的，意味着他们的变化是无穷的，而电子产品用电压和电流作为它们自己的语言来与人类沟通。在电领域，从传感器最初读到的通常是由输入电路调节、转换成数字信号、处理，再转换回模拟信号，经过适当调节后再与我们交互。简化的表如图1所示。

　　基本的功能框图是相对不变的，只是在工作频率、通道带宽、处理功耗和技术上会有所变化。在开始讨论系统级的问题之前，让我们多看看每个功能块(从左至右)的细节。

　　混合信号链中的级

　　传感器在物理世界和电信号世界之间架起了沟通的桥梁，在概述里举的所有示例都需要用到传感器，它们可以是射频、接近、环境光或温度传感器。温度和压力传感器是最常见的两种传感器。在行业市场中，人们对使用精确的流量传感器的兴趣正日益高涨。当有物体接近时，接近传感器会将紫外光反射到电信号中。在带有屏幕的便携式设备中，环境光传感器是一个必备的器件，可起到节约能量并延长电池寿命的作用。

　　混合信号链中的下一级是输入放大器。输入放大器必须正确接收来自传感器的信号，不能装载信号或使信号失真。由于传感器的种类很多，因此可能需要多种放大器来与传感器正确匹配。比较时髦的是仪表放大器、斩波稳定放大器、低噪声放大器和输入偏置消磁放大器。每个系统解决方案都有不同的需求，应当与针对方案进行优化的放大器匹配使用。

　　如果需要滤波(多数情况下是需要的)，可以把滤波电路放在放大器周围，或是串接到系统中。滤波本身就是一门艺术。有上百种在线程序能够帮助你设计系统所需的电路。Intersil公司提供了一个免费工具——iSim Active Filter Designer[1]，它组合了实际的电路设计技巧和滤波器设计上的经验。

　　笔者认为，模数转换器(ADC)是信号链中最重要的选择，通常也是第一个被选定的模块。选用什么样的ADC将决定系统的比特数、系统速度和主耗能模块之一。选定拓扑会产生不同的折中，这要依需求而定。只要说上几个拓扑的名字，就足以把一个正常人搞晕了：△型、流水线型、逐次接近型、快速型(Flash)和积分型。最难理解的拓扑可能是△型。这是一种过采样的模数转换器，通常工作在低频，不过也有几种产品的频率突破了1MHz。△ADC具有最高的分辨率(比如24位)，这种ADC可用于称重、温度控制和仪表当中。逐次逼近型ADC也被称为“SAR”ADC，因为这种ADC使用一个逐次逼近寄存器，在分辨率和速度上做了折中，工作频率从1kHz到几兆赫兹，并提供中等精度。积分型转换器是低速转换器，原因是这种转换器需要花时间对输入信号进行平均。由于这种转换器可以滤掉电源噪声(50Hz或60Hz)，因此对直流测量来说是非常好的选择。快速型ADC的工作频率可以超过1GHz，但精度只有10位。为实现这么高的速度，快速型ADC要消耗大量的能量，因为ADC要在一步内计算出转换结果。如果你选择在功耗上做出让步，使用一个两级方案，就被称为多级转换器。如果你选择3级甚至更多级方案，那你通常可以称之为流水线型转换器。流水线型ADC的工作频率从55kHz到500MHz，分辨率可以高达16位。

　　数字信号处理通常是由微控制器(MCU)或FPGA完成的。可以根据分辨率、速度、占位(尺寸)和功耗来选择这些功能块。很多时候，选择器件的理由是设计者以前使用过这些器件，对器件很熟悉。设计者还要让ADC产生的信号或DAC需要的信号保持一致。事实上，有许多内置ADC和DAC的此类器件可供使用。这些内置的转换器对简单的解决方案来说已经足够了，但不少无法提供分立ADC和DAC所具有的性能。

　　如果你决定使用一个分立DAC封装，你还会碰到一系列的速度、分辨率、功耗和性能问题，就像ADC一样。DAC有一种△拓扑，其过采样类似于对应的高质量ADC。两个更简单的DAC是R-2R和电阻串。而R-2R配置依赖于匹配程度，电阻串可以保证单调性(输入电压每增加一点，输出电压会相应地增加)。

　　无论要驱动的负载是什么，都要用输出放大器对DAC进行缓冲。在某些情况下，根据DAC的输出信号，这个放大器还必须把电流转换成电压。在这一级里可能需要滤波，对滤波的需求类似于输入部分。

　　为了让讨论相对简单一些，我们没有涉及系统中的其他部件。记住，每个功能块都需要干净的电源轨，许多还需要一个来自电压参考或数字电位计的电压。此外，良好的电源旁路和出色的布线技巧也会增加成功的机会。