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信号放大器转换器信号链的集成与去集成

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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做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。简化的功能框图如图1所示。

图1. 简化的混合信号链

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,因此可能需要许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。有一个新工具组合了实际的电路设计技巧和滤波器设计上的多年经验,这就是Intersil的iSim Active Filter Designer 。这个工具非常强大,而且是免费的。

我认为, 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,有许多内建ADC和DAC的此类器件可供使用。这些内建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,就象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。

混合信号系统问题

现在,我们已经研究了混合信号链中的每一个模块,让我们看看怎么把它们合到一起。成本决定了许多设计的选型。如果成本是首要的考虑因素,那么使用内置ADC和DAC的微控制器也许是你的最优选项。设计者更喜欢选择的次优选项是成对工作的ADC和DAC,ADC和DAC要具有近似的特性,而且通常来自于同一家供应商。制造商一般会提供演示板,以便减少调试时间。

许多设计者正想办法把信号链的两端进行集成。如果不要求象转换器那样把这些功能做在一个硅片上,现在的技术已经足以把运放和一些滤波器件封装在一起。很显然,这么做在占位和易用上都是有好处的,在商用产品中看来是肯定会这样做的。如果一个系统设计者想选用一个组合运放和转换器功能的器件来节省空间,为什么他或她不会希望把整个混合信号路径整合到一个路径中呢?没有这回事。这就是为什么专用标准产品(ASSP)被广泛使用的原因。

但你为什么要选择去集成呢?原因有很多。产品或应用可能比较新,还没到有必要投资开发一个ASSP设计的地步。其次是没有一点灵活性。万一你想升级到更高阶的滤波器,以补偿一个新的强干扰?万一你想尝试一个新的转换器配置?万一你必须快速建立一个原型产品?万一小的设计改动能让你的系统设计更加灵活并且能容纳更多的应用和更多的客户?我个人特别喜欢的情况是:万一你希望得到更低的功耗呢?许多转换器需要1.8V电源,而许多运算放大器可能需要3.3V或5V来达到系统所需的动态范围/CMRR。分立方案的选择更多,对应用的优化也更多。许多有经验的系统设计者对电路布板和电源旁路十分精通,他们倾向于选用分立方案,这样可以保留进一步选择的便利。

然而只要集成没有限制我们能力的发挥,通过系统设计,它就会让我们的生活变得更加轻松。

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