信號鏈的集成與去集成

            Tamara Schmitz

混合信號解決方案是不可阻擋的趨勢。我們希望電子設(shè)備能夠與我們交互，當(dāng)我們靠近時，車門應(yīng)當(dāng)自動開鎖，當(dāng)我們坐在電腦前，電腦應(yīng)當(dāng)能自動開啟，或者至少，屏幕保護程序應(yīng)當(dāng)有所動作，表示它很高興我們回來了。當(dāng)我們身處低光照條件下時，手機屏幕應(yīng)當(dāng)變暗以節(jié)約能量，溫度調(diào)節(jié)裝置應(yīng)當(dāng)把房間溫度保持在一個舒適范圍內(nèi)。人類是模擬的，意味著他們的變化是無窮的，而電子產(chǎn)品用電壓和電流做為它們自己的語言來與人類溝通。在電領(lǐng)域，從傳感器最初讀到的通常是由輸入電路調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、處理，再轉(zhuǎn)換回模擬信號，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)后再與我們交互。簡化的功能框圖如圖1所示。

圖1.  簡化的混合信號鏈

基本的功能框圖是相對不變的，只是在工作頻率、通道帶寬、處理功耗和技術(shù)上會有所變化。在開始討論系統(tǒng)級的問題之前，讓我們多看看每個功能塊（從左至右）的細節(jié)。

混合信號鏈中的級

傳感器在物理世界和電信號世界之間架起了溝通的橋梁，在概述里舉的所有示例都需要用到傳感器，它們可以是射頻、接近、環(huán)境光或溫度傳感器。溫度和壓力傳感器是最常見的兩種傳感器。在行業(yè)市場中，人們對使用精確的流量傳感器的興趣正日益高漲。當(dāng)有物體接近時，接近傳感器會將紫外光反射到電信號中。在帶有屏幕的便攜式設(shè)備中，環(huán)境光傳感器是一個必備的器件，可起到節(jié)約能量并延長電池壽命的作用。

混合信號鏈中的下一級是輸入放大器。輸入放大器必須正確接收來自傳感器的信號，不能裝載信號或使信號失真。由于傳感器的種類很多，因此可能需要許多種放大器來與傳感器正確匹配。比較時髦的是儀表放大器、斬波穩(wěn)定放大器、低噪聲放大器和輸入偏置消磁放大器。每個系統(tǒng)解決方案都有不同的需求，應(yīng)當(dāng)與針對方案進行優(yōu)化的放大器匹配使用。

如果需要濾波(多數(shù)情況下是需要的)，可以把濾波電路放在放大器周圍，或是串接到系統(tǒng)中。濾波本身就是一門藝術(shù)。有上百種在線程序能夠幫助你設(shè)計系統(tǒng)所需的電路。有一個新工具組合了實際的電路設(shè)計技巧和濾波器設(shè)計上的多年經(jīng)驗，這就是Intersil的iSim Active Filter Designer 。這個工具非常強大，而且是免費的。

我認為， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是信號鏈中最重要的選擇，通常也是第一個被選定的模塊。選用什么樣的ADC將決定系統(tǒng)的比特數(shù)、系統(tǒng)速度和主耗能模塊之一。選定拓撲會產(chǎn)生不同的折中，這要依需求而定。只要說上幾個拓撲的名字，就足以把一個正常人搞暈了：∑△型，流水線型，逐次接近型，快速型(Flash)和積分型。最難理解的拓撲可能是∑△型。這是一種過采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常工作在低頻，不過也有幾種產(chǎn)品的頻率突破了1MHz。∑△ ADC具有最高的分辨率，比如24位，這種ADC可用于稱重、溫度控制和儀表當(dāng)中。逐次逼近型ADC也被稱為“SAR”ADC，因為這種ADC使用一個逐次逼近寄存器，在分辨率和速度上做了折中，工作頻率從1kHz到幾兆赫茲，并提供中等精度。積分型轉(zhuǎn)換器是低速轉(zhuǎn)換器，原因是這種轉(zhuǎn)換器需要花時間對輸入信號進行平均。由于這種轉(zhuǎn)換器可以濾掉電源噪聲(50Hz或60Hz)，因此對直流測量來說是非常好的選擇。快速型ADC的工作頻率可以超過1GHz，但精度只有10位。為實現(xiàn)這么高的速度，快速型ADC要消耗大量的能量，因為ADC要在一步內(nèi)計算出轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果你選擇在功耗上做出讓步，使用一個兩級方案，就被稱為多級轉(zhuǎn)換器。如果你選擇3級甚至更多級方案，那你通?？梢苑Q之為流水線型轉(zhuǎn)換器。流水線型ADC的工作頻率從55kHz到500MHz，分辨率可以高達16位。

數(shù)字信號處理通常是由微控制器或FPGA完成的?？梢愿鶕?jù)分辨率、速度、占位(尺寸)和功耗來選擇這些功能塊。很多時候，選擇器件的理由是設(shè)計者以前使用過這些器件，對器件很熟悉。設(shè)計者還要讓ADC產(chǎn)生的信號或DAC需要的信號保持一致。事實上，有許多內(nèi)建ADC和DAC的此類器件可供使用。這些內(nèi)建的轉(zhuǎn)換器對簡單的解決方案來說已經(jīng)足夠了，但不少無法提供分立ADC和DAC所具有的性能。

如果你決定使用一個分立DAC封裝，你還會碰到一系列的速度、分辨率、功耗和性能問題，就象ADC一樣。DAC有一種∑△拓撲，其過采樣類似于對應(yīng)的高質(zhì)量ADC。兩個更簡單的DAC是R-2R和電阻串。而R-2R配置依賴于匹配程度，電阻串可以保證單調(diào)性(輸入電壓每增加一點，輸出電壓會相應(yīng)地增加)。

無論要驅(qū)動的負載是什么，都要用輸出放大器對DAC進行緩沖。在某些情況下，根據(jù)DAC的輸出信號，這個放大器還必須把電流轉(zhuǎn)換成電壓。在這一級里可能需要濾波，對濾波的需求類似于輸入部分。

為了讓討論相對簡單一些，我們沒有涉及系統(tǒng)中的其他部件。記住，每個功能塊都需要干凈的電源軌，許多還需要一個來自電壓參考或數(shù)字電位計的電壓。此外，良好的電源旁路和出色的布線技巧也會增加成功的機會。

混合信號系統(tǒng)問題

現(xiàn)在，我們已經(jīng)研究了混合信號鏈中的每一個模塊，讓我們看看怎么把它們合到一起。成本決定了許多設(shè)計的選型。如果成本是首要的考慮因素，那么使用內(nèi)置ADC和DAC的微控制器也許是你的最優(yōu)選項。設(shè)計者更喜歡選擇的次優(yōu)選項是成對工作的ADC和DAC，ADC和DAC要具有近似的特性，而且通常來自于同一家供應(yīng)商。制造商一般會提供演示板，以便減少調(diào)試時間。

許多設(shè)計者正想辦法把信號鏈的兩端進行集成。如果不要求象轉(zhuǎn)換器那樣把這些功能做在一個硅片上，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)足以把運放和一些濾波器件封裝在一起。很顯然，這么做在占位和易用上都是有好處的，在商用產(chǎn)品中看來是肯定會這樣做的。如果一個系統(tǒng)設(shè)計者想選用一個組合運放和轉(zhuǎn)換器功能的器件來節(jié)省空間，為什么他或她不會希望把整個混合信號路徑整合到一個路徑中呢？沒有這回事。這就是為什么專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)被廣泛使用的原因。

但你為什么要選擇去集成呢？原因有很多。產(chǎn)品或應(yīng)用可能比較新，還沒到有必要投資開發(fā)一個ASSP設(shè)計的地步。其次是沒有一點靈活性。萬一你想升級到更高階的濾波器，以補償一個新的強干擾？萬一你想嘗試一個新的轉(zhuǎn)換器配置？萬一你必須快速建立一個原型產(chǎn)品？萬一小的設(shè)計改動能讓你的系統(tǒng)設(shè)計更加靈活并且能容納更多的應(yīng)用和更多的客戶？我個人特別喜歡的情況是：萬一你希望得到更低的功耗呢？許多轉(zhuǎn)換器需要1.8V電源，而許多運算放大器可能需要3.3V或5V來達到系統(tǒng)所需的動態(tài)范圍/CMRR。分立方案的選擇更多，對應(yīng)用的優(yōu)化也更多。許多有經(jīng)驗的系統(tǒng)設(shè)計者對電路布板和電源旁路十分精通，他們傾向于選用分立方案，這樣可以保留進一步選擇的便利。

然而只要集成沒有限制我們能力的發(fā)揮，通過系統(tǒng)設(shè)計，它就會讓我們的生活變得更加輕松。