主要应用

如前所述，每种应用在基本信号维度方面都有着不同的要求，而在给定的应用中，则可能有多种不同的性能。例如，一个 100 万像素的摄像头与一个 1000 万像素的摄像头。图 4 展示了一些不同应用通常要求的带宽和动态范围。该图的上半部分一般称为高速——采样速率为 25 MHz 及以上的转换器，可以有效处理 10 MHz 或以上的带宽。

图 4． 一些典型应用及其对带宽（速率）和动态范围（分辨率位数）的要求

需要注意的是，该应用图并非静止不变的。现有应用可能利用新的、性能更高的技术来提升其功能——例如，高清摄像机或者分辨率更高的 3D 超声设备等。此外，每年还会涌现出全新的应用——很大一部分新应用将处于性能边界的外边缘处： 得益于高速与高分辨率的新组合。结果使转换器性能边缘不断扩大，就像池塘里的涟漪一样。

同时还应记住，多数应用都需要关注功耗问题：对于便携式 ／ 电池供电式应用，功耗可能是主要技术限制条件，但是，即使是线路供电系统，我们也开始发现，信号处理元件（模拟也好，数字也好）的功耗最终会限制系统在给定物理区域的性能

技术发展趋势和创新——如何实现……

鉴于这些应用在不断推高对高速数据转换器性能的要求，业界以持续技术进步的方式对此做出了回应。技术对高级高速数据转换器的推动来自以下几个因素：

工艺技术：摩尔定律与数据转换器——半导体工业在持续推动数字处理性能方面的成就有目共睹，其主要驱动因素是晶圆处理工艺在走向更细间距微影蚀刻工艺方面取得的巨大进步。深亚微米 CMOS 晶体管的开关速率远远超过其前辈，使控制器、数字处理器和 FPGA 的运行时钟速率迈上了数 GHz 的台阶。像数据转换器一样的混合信号电路也可以利用蚀刻工艺领域取得的这些进步，借＂摩尔定律＂之风达到更高的速率——但对混合信号电路来说，这是有代价的：更先进的蚀刻工艺的工作电源电压有不断降低的趋势。这意味着，模拟电路的信号摆幅在缩小，增加了将模拟信号维持在热噪底以上的困难：以缩水的动态范围为代价获得更高的速率。

高级架构（这不是原始时代的数据转换器）——在半导体工艺大步发展的同时，过去 20 年中，高速数据转换器架构领域也出现了数波创新浪潮，为以惊人的功效实现更高的带宽、更大的动态范围做出了巨大贡献。传统上，有多种架构方式用于高速模数转换器，包括全并行架构（ash）、折叠架构（folding）、交织架构（interleaved）和流水线架构（pipeline），这些架构方式至今仍然非常流行。后来，传统上用于低速应用的架构也加入高速应用阵营，包括逐次逼近寄存器（SAR）和 －，这些架构专门针对高速应用进行了原创性的改动。每种架构都有自己的优势和劣势：某些应用一般根据这些折衷来确定最佳架构。对于高速 DAC 来说，首选架构一般是开关电流模式结构，不过，这类结构有许多变体；开关电容结构的速率稳步提高，在一些嵌入式高速应用中仍然十分流行。

数字辅助方法——多年以来，在工艺和架构以外，高速数据转换器电路技术也取得了辉煌的创新成就。校准方法已有数十年的历史，在补偿集成电路元件失配以及提高电路动态范围方面发挥着至关重要的作用。校准已经超越静态误差校正的范畴，越来越多地用于补偿动态非线性度，包括建立误差和谐波失真。

总之，这些领域的创新极大地促进了高速数据转换的发展。

实现

实现宽带混合信号系统不仅仅要选择正确的数据转换器——这些系统可能对信号链的其他部分有着严苛的要求。同样，挑战是在较宽的带宽范围内实现优秀的动态范围——使更多的信号进出数字域，充分利用数字域的处理能力。

宽带和信号调理—在传统单载波系统中，信号调理就是尽快消除无用信号，然后放大目标信号。这往往涉及选择性滤波以及针对目标信号微调的窄带系统。这些经过微调的电路在实现增益方面可能非常有效，而且在某些情况下，可以利用频率规划技术来确保将谐波或其他杂散排除在带外。宽带系统不能使用这些窄带技术，而且在这些系统中实现宽带放大可能面临巨大的挑战。

数据接口—传统的 CMOS 接口不支持大大超过 100 MHz 的数据速率——而且低电压差分摆幅（LVDS）数据接口运行速率达 800 MHz 至 1 GHz。对于较大数据速率，我们可以使用多个总线接口，或者使用 SERDES 接口。现代的数据转换器采用的是最高速率达 12．5 GSPS 的 SERDES 接口（规格见 JESD204B 标准）——可以用多条数据通道来支持转换器接口中分辨率和速率的不同组合。这些接口本身可能十分复杂。

时钟接口—就系统中使用的时钟的质量来说，高速信号的处理也可能十分困难。时域中的抖动 ／ 误差会转换成信号中的噪声或误差，如图 5 所示。在处理速率大于 100 MHz 的信号时，时钟抖动或相位噪声可能成为转换器可用动态范围的一个限制因素。数字级时钟可能无法胜任这类系统，可能需要使用高性能时钟。

图 5． 时钟误差变成信号误差的方式

结论

走向更宽带宽信号和软件定义系统的步伐不断加快，业界不断推陈出新，涌现出构建更好、更快数据转换器的创新方法，将带宽、动态范围和功效三个维度推上了新的台阶。