在线情况
楼主
  • 头像
  • 级别
  • 门派
  • 职务论坛版主
  • 积分55
  • 经验17687
  • 文章198
  • 注册2006-03-07
[转载]ADC实现测量数字化的必经之路
高速和低分辨率ADC经历二十年才实现取样率从1GS/S到20GS/S的进步,但缺少通用芯片可供使用,最近几年情况有很大改善。温故而知新,通过下文的回顾,可以预期高速和较高分辨率的ADC将有更多突破,出现更多的应用。
[GLOW=255,RED,2]专用ADC遥遥领先[/GLOW]
推动ADC取得优异成果的主要力量来自电子测量仪器业界,为了保持与时俱进的高速信号的测试和分析,自从1960年代开始,安捷伦科技和泰克两家公司,一直不懈努力研发电子示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器所需的专用集成电路,以期达到测量仪器领先于尖端信号测试的需求。安捷伦和泰克都拥有自己专用集成电路设计和制造部门,目的是保持测量仪器的超性能,在各种仪器专用器件中对ADC投入的力量最强,因为“模拟输入、数字处理”是现代测量仪器的结构基础,而沟通模拟和数字的桥梁则非ADC莫属。对此安捷伦和泰克两公司为测量业界创造了奇迹,从新千禧年的2000年开始至2005年中期,依靠ADC性能的不断提升,从取样率2GS/S和分辨率8位起步,跃进到现在的取样率20GS/S和分辩率8位的最高水平,使数字示波器顺利地越过实时带宽1GHz的难关走向16GHz,同时对实现频谱分析仪推进到6GHz,以及测试有关2G、2.5G和3G移动通信指标的无线测量系统,高清晰度数字电视测量系统。
我们先回顾泰克研发GS/S级ADC的专用集成电路的历程,泰克原来是一个全能的示波器供应商,后来精简机构把半导体部门剥离,但留下一百多名工程师的集成电路开发和支持队伍,在高速器件方面与IBM微电子部密切合作。两公司取得成功的关键是采用SiGe材料制作高速ADC等数字示波器前端集成电路,当时其它竞争对手仍然着意开发Si的CMOS集成电路。IBM掌握SiGe的BiCMOS工艺,既可制成双极模拟电路,亦可生产高速数字电路和混合电路,比Si工艺更适合高性能测量仪器的要求。在1990年后期开始取得突破,SiGe的BiCMOS集成电路的晶体管振荡速度达到60GHz,当时Si的双极晶体管振速度只有25GHz。现在SiGe工艺又有改进,晶体管振荡速度超过120GHz,单个样管更高至200GHz,SiGe的BiCMOS的发展趋势如图1所示。
根据泰克的生产经验,10GHz测量系统的速度与单元晶体管速度之比约为10:1。预计Si的双极和CMOS工艺已无希望,而转为SiGe工艺尚待实践,放弃熟悉的SiCMOS工艺,再投入可观的研发经费,需要科学的论证。终于,泰克方面迈开重要的一步,放弃Si材料而使用SiGe,IC设计人员从头学起,IBM方面对数字电路熟悉但缺乏双极电路经验,而且泰克是第一家SiGe用户,合作只许成功不能失败。IBM发挥SiGe优势,改进工艺至综合双极和CMOS兼容,泰克发挥仪器电路的经验,改进设计。双方合作从1996年开始,1997年进入攻坚阶段,2000年在IBM代号为“5HP”的制程基础上获得一批数字示波器前端高速IC,包括ADC为核心的输入宽带放大器、取样保持电路、精确时钟电路、波形处理用的DSP、高速存储器、开关阵列等关键器件。泰克公司在这些SiGe集成电路基础上推出著名的TDS7000系列数字荧光示波器,早期产品的ADC取样率是1GS/S和分辨率8位,两块1GS/S利用时钟移相T/2的插值法扩展成为取样率2GS/S。
引用SiGe芯片,泰克“五年不鸣,一鸣警人”,一直保持数字示波器的领先地位,并且占有高档数字示波器市场的50%以上的份额。IBM由于合作成功,继续推广SiGe工艺至其它RF器件并向第三方转让技术专利,使SiGe工艺更为成熟,运用它的第三代技术的“7HP”制程,为泰克制成取样率8GS/S、10GS/S和20GS/S的分辨率8位ADC,以及10GHz以上宽带探头用放大器芯片。现在测量仪器业界公认SiGe制程是解决高速数字仪器前端ADC的优选工艺,将会出现取样率更高的ADC芯片。
安捷伦作为测量仪器业巨头,拥有自己的研发实验室和独立的半导体制造部门,比泰克条件更优越,但是产品也多种多样,1998年脱离惠普公司独立经营不久,仪器市场大起大落,高速数字示波器进展缓慢,当泰克宣布推出TDS7000系列高档数字示波器和SiGe高速ADC之后,安捷伦加紧开发具有自身特点的相应产品。它的数字示波器前端模/数电路,由安捷伦实验室设计和直属半导体厂制造,综合最擅长的微波技术和高频半导体技术,分别发挥GaAs、SiGe、Si材料和CMOS、BiCMOS工艺的作用,制成混合集成电路模块,密封在金属法拉弟噪声屏敝封装内。模块内安排有SiGe工艺的前端放大器,GaAs双极触发电路,GaAs步进衰减器和限幅器,模块核心电路由20个250MG/S的8位分辨率ADC块组成5GS/S的ADC。由于250MG/S的ADC块很容易用CMOS工艺实现,可以达到较高精度和较低噪声,ADC前端的缓冲级采用SiGe工艺,并装有2×2交叉开关。这种设计虽然比较复杂,但非常充分发挥不同材料和不同工艺的特点,使用这样几十个低取样率交叠构成高速取样率ADC,也是安捷伦的创造性设计。安捷伦在2004年10月推出的DS080000序列数字存储示波器,最高实时带宽达到12GHz,比泰克的TDS6800序列数字存储示波器更早打破10GHz带宽的记录。2005年4月泰克TDS6800序列再创实现15GHz带宽的新指标,但安捷伦认为,它的取样率5GS/S的单片混合ADC芯片,无论在时钟抖动和噪声频谱方向仍然优于竞争对手的ADC芯片。测量仪器业界的两巨头都在高速ADC分别作出贡献,正因ADC取得创新,才带动数字示波器在1984年跨过1GHz,二十年后的2004年再打破10GHz的壁垒。安捷伦的高速单片ADC结构如图2所示。
除了泰克和安捷伦之外,数字示波器的其它供应商亦不甘示弱,纷纷开发自己产品专用的ADC芯片。例如力科公司具有核子物理测试仪器的厚实基础,拥有高速集成模拟和数字电路的设计队伍,借助第三方的SiGe制程,紧追前面的竞争对手,相继推出带有自身特色的带宽2GHz、4GHz、8GHz和10GHz的数字存储示波器所用的ADC芯片。以生产插卡和模块仪器为主的中小公司,如Acqiris、Gage、ZTEC公司都通过合作方式制成专用的取样率2GS/S ADC芯片,其中Acqiris的XLFidelity数字化仪前端芯片组达到2GS/S取样率和10位分辨率,突破在较长时间内2GS/S ADC停留在8位分辨率的水平,而且是用CMOS工艺制成的。
测量仪器供应商为了开发高速信号测试设备,开发专用的ADC芯片,促进ADC性能不断攀高,成绩显著。用于开发专用ADC芯片的投资相当可观,并且带有一定风险,当测量仪器供应商获得成功,推出新产品后,为保护自身的知识产权或专利,这些专用ADC芯片不会作为市售元件出现在货架上,客观上不利于测量仪器的发展。对于非测量仪器的其它科技和工业部门的电子工程师来说,也无法开展高速模拟一数字域的新应用。近年来这种专用而不开放的局面,由于集成电路制造商开发出多种通用高速ADC芯片,使情况得到缓解。
通用ADC急起直追
尽管测量仪器供应商在2000年即开始使用取样率2GS/S的ADC,由于这些芯片都是用户定制的专用IC,不会出现在半导体元件的销售市场货架上。因而,中小型测量仪器公司和其它业界工程技术人员没有机会使用高速ADC去开发更多种多样的应用,直至1999年半导体元件市场才有一种1GS/S ADC芯片出售,2005年是高速ADC芯片的丰收年,Maxim、NS、和Atmel三家都有技术突破,取样率1GS/S、1.5GS/S、2.0GS/S和分辨率8位、10位的ADC相继推出,使测量仪器业界首先受益,而且通信、网络、消费电子等业界同样受惠。最具代表性的高速ADC芯片及其特性介绍如下:
[SHADOW=255,RED,2]第一,    典型产品[/SHADOW]
?Maxim公司的MAX 104/106/108,最高取样率1.5GS/S,分辨率8位,一路模拟输入带宽2.0GHz
?NS公司的ADC08D500/1000/1500,最高取样率1.5GS/S,分辨率8位,双路模拟输入带宽1.7GHz
?Atmel公司的AT84AS003/004,最高取样率2GS/S,分辨率10位,一路模拟输入带宽3.0GHz
[SHADOW=255,RED,2]第二,    器件制程 [/SHADOW]?MAX104/106/108采用2GHz高速硅双极制程技术(GST-2),包括高速自对准多晶硅工艺,单个NPN晶体管的渡越频率达到27GHz,还有三层金属互连,激光修调NiCr薄膜电阻。配合高效率的快闪ADC电路设计,使器件在最高取样率下保持高的信号噪声比,前端的信号跟踪/保持放大器带宽超过2.2GHz,输出电路采用发射极耦合逻辑(PECL),便于驱动50Ω阻抗的传输线,1:2的多路分离器(DMUX)输出提供降低一半的数据率,便于数据存储和处理。
?ADC08D500/1000/1500采用高性能的180nm线宽CMOS制程,并且改进传统的快闪ADC电路结构为折迭/插值结构,使前端的比较器数目和放大器数目降低。因为快闪结构需要2n-1个比较器,n是分辨率位数,8位分辨率的ADC相应由255级电压比较器构成,占用面积、功耗、温升都增加。采用折迭/插值结构可减少1/3以上的比较器,实际上比较器由高速运算放大器组成,因而,改进的快闪结构使放大器数目同样减少。当然,改进电路结构时应该保证转换精度和不会损失代码。芯片还提供1:2的多路分离器输出,以及快速的低压差分(LVDS)接口输出。
?AT84AS003/004采用改进的快闪ADC电路结构和硅双极高速集成电路制程,在最高取样率2GS/S和分辨率10位下保持3.3GHz的模拟输入带宽,提供可选择的1:2或1:4多路分离器输出,接口电平与LVDS电平兼容。芯片还有其它独特功能,例如微调ADC增益等于单位增益、二进或灰度格式的数据输出选择、取样延时调节(标准值延迟12OPS)、ADC与DMUX时钟对准延时调节(参考界面延时±250PS)、超量程指示位(第11位输出)、芯片温度监测二极管、ADC块的排错用数组发生器、边界扫描的自建内测试(BIST)等。
[SHADOW=255,RED,2]第三,    实测动态性能 [/SHADOW]?MAX104/106/108在取样率1GS/S和输入信号500MHz下,MAX104具有的有效位数是7.51位,信号噪声比是46.8dB,无寄生信号动态范围(SFDR)是52.1dB,总谱波失真是51.9dB。
?ADC08D500/1000/1500在取样率1GS/S和输入信号500MHz下,ADC08D1000的有效位数是7.5位,最小有效位是0.25,位错误率(BER)是10-18,两通道串扰-7.7dB,动态范围良好。
?AT84AS003/004在取样率2GS/S和输入信号1GHz下,AT84AS004的增益平整度是±0.2dB,有效位数是7.8位,信号噪声比是51dB,SFDR是55dB。器件还可在第二奈奎斯特区使用,输入信号扩展到2GHz。
[SHADOW=255,RED,2]第四,    提高取样率的多芯片插值[/SHADOW]
?MAX104/106/108的时钟错误率低于10-16,芯片只有一路信号输入,最大量程500mV,最高分辨率8位和最高取样率1.5GS/S。为了提高取样率,简单的办法是多芯片的取样时钟插值法,例如,用两块MAX108通过时钟插值法,时钟方波的上升边沿对第一块ADC(A)取样,时钟方波的下降边沿对第二块ADC(B)取样,两块ADC(A)与ADC(B)相加的输出就是模拟输入信号在两倍取样率下的数字转换值。MAX108的最高取样率是1.5GS/S,利用取样时钟插值的两块MAX108,容易获得3.0GS/S的8位分辨率数字输出。
?ADC08D500/1000/1500芯片内有两路结构相同的ADC电路,该芯片在设计阶段已考虑到时钟插值的功能,只用一路模拟信号输入,通过输入交叉开关分别送入两路ADC。取样时钟T在控制逻辑作用下实现T/2的插值输出,例如,ADC08D1500可获得两路1.5GS/S而周期相差T/2的AD转换,实现3.0GS/S的8位分辨率数字输出。芯片具有插值时间的粗调和微微调功能,使两路取样时钟以0.1ps步进作精确调节。ADC08D1500芯片的电路结构如图3所示。NS亦供应一路模拟输入的芯片,编号是ADC081000/1500,为用户提供多种选择。
?AT84AS003/004芯片只有一路ADC电路,在设计阶段已考虑到多芯片的时钟插值应用,除了ADC可微调延时120PS之外,还有独立的延时单元的500PS可调范围,获到1-2GS/S时钟的精确插值。芯片提供的1:2和1:4 DMUX数字输出,保证在取样率倍增的情况下,后端的数据存储和数据处理的传输率基本不变。选用两块AT84AS004芯片在2GS/S的T/2时钟插值下,构成取样率4GS/S和分辨率10位的ADC高性能转换。从原理上,使用四块AT84AS004的时钟插值可获得8GS/S的取样率,实际上由于要在片外增加较多射频元件,而不推荐作为选项。Atmel公司同样提供双路模拟信号输入的AT84AD001/004芯片,但是取样率最高1GS/S和分辨率8位。
[SHADOW=255,RED,2]第五,    功耗、封装[/SHADOW]
?MAX104/106/108的供电电源只有±5V两组,最大功耗4.8W。封装采用改进的超级球栅阵列(ESBGA),面积25×25mm,192引脚,引脚间距1.27mm,封装厚度1.4mm,互连线为50Ω微带。大量球栅供接地和供电使用,具有很好的散热性能,在多数情况下无需增加散热体。
?ADC08D500/1000/1500的供电只有+1.9V±0.1V一组电源,最大功耗1.8W,待机功耗3.5mW,工业级芯片的工作温度-40℃-+85℃。封装采用增强型露出銲点的LQFP,128引脚,面积22×22mm,引脚间距0.5mm,封装厚度1.1mm,不用散热体的自然冷却。
?AT84AS003/004的供电电源2.5V、3.3V(模拟)、3.3V(数字)、-5V、2.2V共五组,总功耗6.5W。封装采用增强型球栅阵列(EBGA317),面积25×35mm,317引脚,引脚间距1.27mm,封装厚度1.45mm,温度变化系数接近FR4电路板的性能,芯片可适应商用、工业和军用的温度范围。
[LIGHT]ADC前途无限[/LIGHT]
因为ADC芯片是沟通模拟域和数据域的最重要器件,高速ADC变成通用的市售产品对测量仪器、通信、网络、卫星接收、数据采集、自动测试设备等应用具有重要意义,它打破了高速ADC被业界巨头垄断,中小公司和普及应用很难开展的局面。以测量仪器业界的数字示波器为例,实时带宽1GHz以上的产品仅有几家著名仪器公司可以供应,价格居高不下,因为多数仪器公司只有生产200至300MHz带宽数字示波器的能力。对更广泛的用户来说,往往只需要某频段的特定目标的测量,由于无法获得通用的高速ADC器件来构建简易的测量设备,而不得不购买昂贵的全功能数字示波器。目前,大部分电学测量可借助1-2GHz以下的仪器来完成,Maxim、NS、Atmel、ADI、TI等公司生产的取样率500MS/S-2GS/S,分辨率10位上下的各种通用高速ADC芯片,已形成一定规模的市场。据统计2003年全球销售额是5.5亿美元,并以每年平均增长率30%呈指数式增加。
市场调研公司Databeans最近的分析报告指出,从应用层面来看,高速取样率和较低分辨率的ADC芯片,大部分应用于数据通信,如零中频的RF接收机、数据总线、光纤网络;小部分应用于测量仪器,如数字示波器、数字化仪、实时频谱仪;其它应用还有军事和科学方面,如雷达、声纳、射电天文。取样率500MS/S左右和分辨率12-16位的ADC,大量用于无线网络和医疗电子设备。取样率100MS/S和分辨率12位以上的ADC,最大量用于各个领域,如移动通信、消费电子设备。
以人为本的视觉和听觉,甚至思维方法都属于模拟方式,而逻辑运算和计算机等信息技术却采用数字方式,故对于ADC的迫切要求是与日俱增。但是,半导体制造业当中,ADC集成电路是薄弱环节,原因在于ADC的开发和生产有相当难度,当数字集成电路高速发展之后,半导体业界发现缺乏模拟电路设计人员,更急需ADC设计人员。在制程上同样遇到模拟工艺和数字工艺兼容的问题,Si的CMOS工艺适用于数字电路而不适用于高频模拟电路,GaAs工艺对高频模拟电路有利而对数字电路不利,目前高速ADC只有借助GeSi的BiCMOS工艺,但成本较高,还没有找到更具高性能价格比的兼容工艺。Maxim使用的是Si双极工艺,领先推出取样率1GS/S和8位分辩率的单通道ADC,并且继续提高取样率至1.5GS/S。Atmel同样在Si双极工艺上改进电路结构,解决取样率1GS/S的10位分辨率难题,后来再提高至取样率2GS/S和10位分辨率的ADC。NS采用的是更成熟的Si CMOS工艺,在同一芯片上实现双通道的取样率1GS/S和分辨率8位的ADC,很短时间后再提高取样率至1.5GS/S,而保持功耗在1.5W左右。可以期待,NS将继续改进电路结构和借助线宽更窄的工艺,在取样率和分辨率方面更上一层楼,双路取样率2GS/S和分辨率10位的ADC芯片在设计和工艺方面的难点已经不多,不久将可面市。2GS/S的10位ADC器件作为通用芯片出售,其实际贡献绝不低于2000年测量业界首次克服1GHz宽带壁,使数字示波器带宽突进至2GHz的成就。当时测量业界利用GeSi材料制成数字示波器的前端ADC芯片,指标达到带宽3GHz、取样率2GS/S和分辨率8位,从此,数字示波器带宽大约每两年翻一番,实时带宽走向2GHz、4GHz、8GHz、16GHz,从2000年至2005年不断攀升,全球科学技术和工业生产受益非浅。但是,这些专用ADC高档芯片只被测量业界的少数公司所拥有,并未发挥它的最大作用。一旦取样率2GS/S以上,分辨率10位的通用ADC芯片出现在电子元件售货架上,单片价格再从300-400美元降低一半的时候,架接模拟与数字两域之间的通渠定必更加畅顺,充分体现“系统拥有的功能越高,所需的模数转换元件也越好的业内共识。
 

posted @ 2006-5-12 16:11:00 unaided
[ 这个贴子最后由DC在2006-5-12 22:50:00从 专业灌水区 转移过来 ]
微控网感谢您的参与
在线情况
2
  • 头像
  • 级别
    • 积分3
    • 经验54
    • 文章5
    • 注册2006-12-01
    只是觉得我们国家的差距太大了  加油
    微控网感谢您的参与
    Powered by LeadBBS 9.2 .
    Page created in 2.4854 seconds with 5 queries.