模擬工程師將數(shù)字設(shè)計帶入現(xiàn)實生活

Sue Martenson/Andrew MacLellan

“數(shù)字革命”通過改造我們與周圍世界的關(guān)系已經(jīng)改變了我們通信、工作和旅行的方式。數(shù)字化電子設(shè)備通過各種便攜式的、容易訪問的交互式通信媒體構(gòu)成的巨大網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)改造了我們的世界?？焖俣鴾?zhǔn)確地從我們的周圍環(huán)境收集圖象、語音和音頻數(shù)據(jù)并且在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)管理和控制這些數(shù)據(jù)的能力已經(jīng)實現(xiàn)了任何時間、任何地點的通信和提高性能的計算。數(shù)字化電子設(shè)備還產(chǎn)生了更可靠和更便宜的醫(yī)用電子設(shè)備。它為多樣性消費類設(shè)備帶來了激動人心的、交互式的多媒體內(nèi)容。總起來說，上述的進(jìn)步已經(jīng)將我們生活的世界置于我們完全數(shù)字化的控制和管理之中。

但是，數(shù)字技術(shù)可信賴的優(yōu)勢只有當(dāng)它和模擬技術(shù)的能力一樣好時才能體現(xiàn)出來，模擬技術(shù)能夠忠實地將由 “1”和“0”表示的數(shù)字信號還原為人能夠聽、看、感覺或感知的模擬信號。

如果沒有重大而同步的模擬技術(shù)創(chuàng)新，那么數(shù)字革命的效果可能黯然失色。我們用數(shù)字方式撲獲信息的領(lǐng)域越多，我們必須完成的數(shù)模轉(zhuǎn)換和還原的數(shù)據(jù)就越多——不論是實時的語音傳輸、音頻信號還是視頻圖象。當(dāng)今蜂窩手機(jī)不斷減小外形尺寸并且不斷增加功能設(shè)置，高端汽車音響系統(tǒng)的聲音質(zhì)量以及廣播數(shù)字電視的高清晰度（HD）圖象不僅是智能電路設(shè)計、先進(jìn)制造工藝和高性能數(shù)字處理技術(shù)的產(chǎn)物，也是模擬設(shè)計不斷進(jìn)行革命的產(chǎn)物。

實際上，數(shù)以千計的終端市場和應(yīng)用中大量的數(shù)字產(chǎn)品已經(jīng)引起了同樣的、而且往往是成比例增大的對高質(zhì)量模擬技術(shù)的需求。例如，高速數(shù)字處理器（DSP）能使數(shù)字音頻接收器能夠通過增加多個音頻通道來提高其性能。但是，每個新的通道都需要一個獨立的功率放大器以便按照人耳容易分辨和舒適的方式驅(qū)動輸出信號。事實上，據(jù)DataBeans市場調(diào)查公司估計，為一個電子終端產(chǎn)品設(shè)計每增加一美元的數(shù)字集成電路（IC），同時就需要價值高達(dá)1.4美元的模擬IC。 

數(shù)字電子設(shè)備的迅速增長實際上更加驅(qū)動了對模擬IC的需求。在許多情況下，新的數(shù)字產(chǎn)品需要高集成度和高性能模擬IC達(dá)到新的水平，以便能夠轉(zhuǎn)換、調(diào)理和穩(wěn)定信號以及控制和給鏈路供電，從而決定當(dāng)今的高級系統(tǒng)功能。實際上，一些終端用戶在獲悉他們最喜愛的數(shù)字產(chǎn)品中的許多功能主要是由于模擬技術(shù)創(chuàng)新而不是數(shù)字電路時，可能會感到很驚訝。請考察下面的應(yīng)用趨勢和模擬技術(shù)正在推動和決定數(shù)字技術(shù)前景的發(fā)展路線：

•    數(shù)碼照相機(jī)：當(dāng)數(shù)碼照相機(jī)在15年以前進(jìn)入消費類市場時，它開始著手滿足并并且超過35 mm電影膠片的質(zhì)量。雖然DSP和微控制器（MCU）處理技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)以數(shù)字方式為快速地處理圖象提供了所需的帶寬，但是那些圖象的質(zhì)量依賴數(shù)碼照相機(jī)模擬前端（AFE）中的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的能力來降低噪聲并且增大動態(tài)范圍。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步還使得AFE解決了其它常見的性能問題，例如降低功耗以延長電池的工作壽命，提高轉(zhuǎn)換采樣速率以提高照相機(jī)快門的速度，還有提高圖象傳感器的感光靈敏度以降低高分辨率照相機(jī)對閃光的要求。這些功能已經(jīng)使得一個典型的數(shù)碼照相機(jī)中的模擬半導(dǎo)體IC成本從幾年前的不到2美元增加到如今的超過5美元。下一代的數(shù)碼照相機(jī)可能需要價值高達(dá)15美元的模擬IC。

另外，模擬技術(shù)創(chuàng)新不僅僅提高了數(shù)碼照相機(jī)的性能，它還有助于產(chǎn)生多種新的照相機(jī)設(shè)計。例如，模擬技術(shù)和基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的傳感器相結(jié)合，為了避免拍照出模糊的照片，通過增加陀螺儀和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)用于補(bǔ)償照相機(jī)的“顫動”。

•    音頻處理：無論是處理家庭影院應(yīng)用中的杜比5.1通道環(huán)繞立體聲，還是高端汽車系統(tǒng)中的12通道音頻，當(dāng)今的音頻信號鏈日益數(shù)字化。但是，實際上，信號鏈僅僅是名義上“全數(shù)字”而已，因為大量的多通道音頻對模擬技術(shù)提出了新的性能要求。例如，多通道數(shù)字音頻結(jié)構(gòu)中存在固有的數(shù)字信號處理難題，需要設(shè)計工程師采用多個高性能模擬功率放大器來驅(qū)動揚(yáng)聲器和能夠轉(zhuǎn)換模擬音頻信號的音頻編解碼器，才能夠不犧牲，或者說“放棄”DSP的性能。
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另外在許多應(yīng)用中，將多通道音頻引入到越來越小的系統(tǒng)中，這就需要能夠以高效率工作的低功耗和低成本的模擬IC。即使大批量的消費類音頻系統(tǒng)也需要一流的音頻轉(zhuǎn)換器以便保證數(shù)字處理器達(dá)到最高性能所需的高性能和精度性。

•    蜂窩手機(jī)：隨著蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施從2 G和2.5 G到更高性能的2.75 G和3 G業(yè)務(wù)升級，推動了新一代智能更高、功能更豐富的手機(jī)的發(fā)展。語音、視頻和數(shù)據(jù)的快速會聚允許設(shè)計工程師在下一代手機(jī)中增加這樣一些令人興奮的功能，例如MP3音樂和廣播電視。蜂窩手機(jī)市場已經(jīng)朝著各種方向發(fā)展，因為制造商劃分其產(chǎn)品系列以便滿足不同用戶的需求和習(xí)慣。但是，這些“數(shù)字”蜂窩手機(jī)中的功能也正在推動對新的模擬功能的需求。將高分辨率照相機(jī)集成到無線手機(jī)中的發(fā)展趨勢要求提高模擬圖象處理的性能、圖象穩(wěn)定性、聚焦和伸縮控制——以及支持這些功能所必需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和放大器。新的帶有易讀的彩色顯示屏，用戶界面更友好的手機(jī)需要先進(jìn)的液晶顯示屏（LCD）背光功率器件。而且因為設(shè)計工程師將新的語音、視頻和數(shù)據(jù)功能集成到這些平臺中并且要管理多達(dá)20種不同的穩(wěn)壓電壓，所以需要先進(jìn)的電源管理和電池充電IC來保證照相機(jī)的性能提高不會縮短電池的壽命。上述這些需求，再加上實現(xiàn)3 G手機(jī)中基本通信引擎所需的先進(jìn)的多頻帶、多模式射頻（RF）和模擬接口功能涉及到的挑戰(zhàn)，將使得無線手機(jī)中平均的模擬IC成本會在不久的將來從如今大約8美元上升到15美元以上。

•    醫(yī)學(xué)圖象處理：在衛(wèi)生保健領(lǐng)域，大量數(shù)字資源的可用性和從固定的系統(tǒng)向便攜式設(shè)備的轉(zhuǎn)變正在推動對各種新的高性能模擬IC的需求。例如，在醫(yī)學(xué)圖象處理應(yīng)用中，高速的數(shù)字計算允許醫(yī)生觀察高分辨率的CT掃描圖象和超聲設(shè)備圖象以便更快更準(zhǔn)確地評定重要器官或血管的狀況。但是要想巧妙地利用這些新的性能，設(shè)計工程師必須通過提高通道密度和改進(jìn)AFE性能來增強(qiáng)其產(chǎn)品的信號撲獲能力。

可變增益放大器（VGA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的最新進(jìn)展增大了動態(tài)范圍并且提高了圖象質(zhì)量，同時正交（I/Q）解調(diào)器和移相器IC提高了多普勒超聲波系統(tǒng)的性能。另外，通過將多種功能和多通道集成到一顆單芯片中，這些高性能的模擬器IC有助于設(shè)計工程師構(gòu)建出更小、更便攜的系統(tǒng)，因為顯著減小了產(chǎn)品的外形尺寸和功耗。現(xiàn)在分析家估計，二維（2-D）和三維（3-D）醫(yī)學(xué)圖象處理應(yīng)用將為模擬IC提供15億美元的市場。

•    高級電視：在大街上隨便問一個人，你都會聽到：雖然過去的電視都是模擬的，但是未來的電視將是數(shù)字的。雖然高清晰度電視和影院品質(zhì)音響的出現(xiàn)是因為數(shù)字革命，但是新的模擬技術(shù)的采用和數(shù)字設(shè)計的創(chuàng)新一樣，也推動了高級電視的發(fā)展。即使在數(shù)字廣播的時代，電視機(jī)仍然需要兩種接口——數(shù)字接口和模擬接口——以支持傳統(tǒng)的錄像機(jī)（VCR）、DVD播放器和便攜式攝像機(jī)。支持多種接口標(biāo)準(zhǔn)——從標(biāo)準(zhǔn)的模擬接口到新興的高清晰度多媒體接口（HDMI）——的高集成度的接口IC將被用于滿足從模擬或數(shù)字輸入到先進(jìn)的平面顯示器連接的需求。高性能音頻處理器將有助于工程師將模擬聲音處理的任務(wù)轉(zhuǎn)移到數(shù)字領(lǐng)域中。而且新的高集成度的后處理IC可以通過提高補(bǔ)償薄型平面電視的設(shè)計局限而提高音頻質(zhì)量。從上述對高性能模擬IC不斷增強(qiáng)的依賴性可以看出，如今一臺普通數(shù)字電視中采用的模擬IC成本大約為20美元，在今后幾年內(nèi)將增加到每臺大約60美元。

ADI公司認(rèn)識到，控制和管理現(xiàn)實世界中各種現(xiàn)象（例如光、聲音、運(yùn)動、壓力和溫度）所需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和前端信號處理技術(shù)對于創(chuàng)造一種有價值的終端用戶體驗來說是非常重要的因素。

這是ADI公司從四十多年的設(shè)計和開發(fā)模擬信號、數(shù)字信號和混合信號技術(shù)以及培養(yǎng)深入了解我們客戶應(yīng)用需求的過程中而得到的經(jīng)驗。ADI公司為各種應(yīng)用提供一流的性能——并且將其轉(zhuǎn)化為最佳的用戶體驗。ADI公司的創(chuàng)新通過提高集成度、減小封裝尺寸、降低功耗，還降低了系統(tǒng)成本。這是滿足能使數(shù)字設(shè)計如此流行的大眾市場成本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

這條成熟的經(jīng)驗——不斷擴(kuò)展產(chǎn)品種類和開發(fā)支持工具使ADI公司的工程師提高最關(guān)鍵之處的性能。ADI公司通過保證為客戶的應(yīng)用提供最合適的IC，能夠使工程師將其數(shù)字設(shè)計的全部潛能帶到現(xiàn)實生活中。