«У пользователей различных конверторов (цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей) появились новые требования», - такое предположение высказал один из наших специалистов. Мы решили рассмотреть это тему более подробно. Ниже написанный материал может показаться излишне «техничным», но такова правда. Произвести оцифровку чего-либо аналогового в «цифру» (например, звук и изображение) очень непросто. А, учитывая, что гигагерцы растут не только у центральных процессоров в компьютерах, материал уходит далеко за рамки нашего hi-fi ресурса к базовым станциям сотовой телефонии и ультразвуку, потому что именно там такие мощности востребованы. Да, и на вопрос нашего специалиста теперь ответить легко, но об этом в конце данного текста.
Независимо от спецификации компонентов и от патентов на микросхемы, проектировщики сейчас заняты поиском. Им необходимо создать наилучшие решения, такие, где соотношение требований для применения и производительности отдельного компонента - разрешения, скорости и потребляемой мощности - больше не были бы единственными критериями оценки.
Соответственно и производители конверторов удвоили свои усилия, чтобы как можно лучше приспособить свои изобретения к параметрам конечного продукта. Как создаются устройства, отражающие философию каждой компании? Что имеет большее значение: широта способов применения или узкоспециализированные потребности?
Как правило, разрешения преобразователей, отображенные на листках спецификаций производителя и клиента, сравниваются не только для того, чтобы увидеть разрядное разрешение, но также и для того, чтобы рассмотреть эффективное количество бит (ENOB), соотношение сигнал-шум (SNR) и динамический диапазон без побочных помех (SFDR). Но высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь предназначен для того, чтобы отслеживать быстроизменяющийся сигнал с помощью постоянной выборки его амплитуды, в отличие от другой методики выборки, например, дельта-сигма выравнивания амплитудных изменений, наряду с разрешением, необходимым для фиксирования этих изменений в пределах определенных интервалов. Для того чтобы получить более тонкие градации амплитуды сигнала можно использовать не только сам преобразователь данных, но и программируемый усилитель. Таким образом, для захвата сигнала переменного тока, 2-битное устройство, управляемое конденсатором, фиксирует тот же самый звуковой сигнал, однажды захваченный полным 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем.
Как сообщил Кевин Катман (Kevin Kattmann), директор производственной линии компании Analog Devices Inc. (ADI) еженедельнику EE Times, «если клиент захочет получить 9-1/2 ENOB, то он заплатит за это именно столько, сколько это стоит и не пенни больше».
Действительно, интерфейс ADI (Norwood, Mass.) занимает одно из важнейших мест в деятельности компаний, пытающихся приспособить компоновочные блоки преобразователей к требованиям заказчика, фактически не создавая для этого специальный компонент. Точные настройки конверторов при применении в оцифровке видеосигнала, медицинской интроскопии не так важны, как разрешение и скорость.
Компьютерные приставки к телевизору требуют для обработки видеосигнала частоты дискретизации на уровне нескольких мегагерц. Им также необходимо 10-и 12-битное преобразование, несмотря на тот факт, что человеческий глаз не различает разницу при глубине пикселя выше 8-бит.
«Совершенствование параметров разрешения и скорости (в отличие от улучшения синхронизации систем и маршрутизация PC сигнала) будут рассматриваться разработчиками чаще», - отметил Махер Мата (Maher Matta), менеджер компании Maxim Integrated Products (Sunnyvale, Calif.). Особенно это важно в области применения ультразвука, где используется антенна с фазированной решеткой, улавливающей порядка 256 или 512 отдельных сигналов. «В дополнение к высоким частотам дискретизации конверторы должны иметь высокий уровень изоляции (до 110 дБ)», - сообщил Мата.
«Производители ультразвукового оборудования также придают большое значение SNR производительности, которая необходима для улучшенного качества изображения», - заявил Катман (Kattmann) из ADI.
Война между ADI конкурентами традиционно ведется компаниями Texas Instruments Inc. (Dallas), Maxim, Linear Technology Corp. (LTC; Milpitas, Calif.) и National Semiconductor Corp. (Santa Clara, Calif.), создающими компромиссные решения амплитудного разрешения, частоты дискретизации и потребляемой мощности. Производители конверторов предполагают, что если не брать в расчет особые требования клиента, например разработку high-channel-count систем, у пользователей всегда останется потребность в самом быстром, с очень высокой разрешающей способностью конверторе, у которого при этом хорошее соотношение: потребляемая мощность - качество - цена.
«Хотя пока технологически невозможно получить ультравысокое разрешение и ультравысокую скорость от одного и того же аналого-цифрового преобразователя, кривая, определенная этими осями, продолжает расти вверх. И всегда найдутся «экстремалы», которые будут стараться получить максимальный результат вне зависимости от стоимости», - заметил Дейв Робертсон (Dave Robertson), директор направления высокоскоростных преобразователей фирмы ADI.
На оси скорости самыми быстрыми коммерческими аналого-цифровыми преобразователями являются 1, 1.5 или 2 ГГц-вые, но при этом имеющие только 8 битное разрешение. На другой оси – преобразователи с точной системой цифрового управления, удельной мощностью поглощения излучения (SAR) имеющие до 16 или 18 бит. Например, разрешение 16-разрядного A/D в одном компоненте - 65535 ((1/2N), где N – ENOB). Частота дискретизации этих компонентов равна 1 или 2 МГц, то есть он на несколько порядков медленнее, чем быстрые преобразователи.
Если в набор включены дельта-сигма устройства (DSP преобразователи), то разрядное разрешение, увеличивается до 24 бит (1 компонент - 16777216). Частоты дискретизации в этом разрешении могут обеспечивать звуковые сигналы без использования смещения.
Компания Texas Instruments представляет компоненты, которые вроде бы имеют неплохое разрешение и скорость. Ее ADS1271 - это дельта-сигма конвертор, с частотой дискретизации 105 ks (килосемплов) в секунду. Это дает возможность оцифровывать точные изменения с шириной спектра сигнала в 50 кГц (такого, как шум подшипника от двигателя).
Ранее, TI представила единственный SAR преобразователь отрасли, обладающий самым высоким разрешением - 18-битный преобразователь ADS8381, который оцифровывает 580 килосемплов в секунду. «Обе архитектуры дельта-сигма и SAR сегодня являются самыми популярными, - сказал Тодсен (Todsen). - Они делают такие вещи, на которые прежде были не способны».
TI следует за ADI на рынке конверторов и имеют чистый доход от $2.1 миллиардов до $2.4 миллиардов. Согласно данным таких исследовательских компаний как Gartner Dataquest (San Jose, Calif.), iSuppli Corp. (El Segundo, Calif.) и Databeans (Reno, Nev.), ADI занимает около 40 процентов всего рынка, а Texas Instruments 15 процентов - немного меньше у Maxim, Linear Technology и National Semiconductor.
В то время как все эти производители предлагают схемы, спроектированные для обеспечения сразу нескольких различных рынков, они в своих подходах к настройке все же используют немного различные философии. ADI, например, вполне может удовлетворять особые требования клиента, далеко отклонившись от своего классического продуктового портфеля. А вот специализированные полупроводниковые процессы и упаковка iCMOS и iBipolar удовлетворят потребности индустриальных пользователей в предохранении от высокого напряжения и расширенной температурной деятельности.
«Linear Technology, напротив, избегает работать с индивидуальными клиентами или в узких рыночных областях. Мы начинаем выпускать продукцию только в ответ на оживление рынка, по крайней мере, пятью известными заказчиками (предпочтительно десятью)», - сказал Боб Рей (Bob Reay), вице-президент и генеральный директор компании.
Конкуренты ADI также уже начинают расширять свои продуктовые портфели, но осторожно расставляя акценты над тремя самыми важными спецификациями: разрешение, скорость и потребляемая мощность. TI больше отдает предпочтение разрешению, Maxim и National поднимают скорость до 1 ГГц и более. Примеры 8-битных ГГц сэмплеров имеет аналого-цифровой преобразователь 081000, MAX104 от Maxim и AT84AD001B от Atmel. Фактически, Atmel (San Jose) способствует продвижению радарных процессоров, включая TS83102G0B, что является образцом 10 бит (ENOB на 8 бит) при 2 ГГц.
Linear Technology полагает, что она занимает особую позицию по оси более низкой мощности. Как правило, существует прямая зависимость между конверсионной скоростью и потребляемой мощностью: чем быстрее вы идете, тем больше сил потратите. «Мы оптимизируем компоненты, достигая низкого потребления энергии, затем пытаемся найти самую высокую производительность, - сказал менеджер по сбыту продукции Тод Нельсон (Todd Nelson). - Обычно в этом состязании мы достигаем от одной трети до одной четвертой части мощности».
Примерами этого служат LTC1407A (3-мегасемпла в секунду 14-битный аналого-цифровой преобразователь, потребляет порядка 14 мВт) и LTC2255 (125-Ms/s 14 мВ, потребляет 395 мВт).
«Это не только карманные переносные устройства, которые имеют низкий уровень энергопотребления, - объяснил Нельсон. - Спросом будут пользоваться и небольшие серверные устройства, и телекоммуникационные системные блоки. Нельсон сказал, что если оборудование, размером с комнату, сократить до размера «холодильник в общежитии», увеличивается плотность монтажа компонентов на плате. Преобразователь IC должен занимать более малую площадь и, что самое главное, - рассеивать минимальное количество тепла.
Позиция National Semiconductor, четко сформулированная директором производственной линии Антонио Висконти (Antonio Visconti), заключается в том, что компания сначала должна удовлетворить требования клиентов по производительности (то есть, по частоте дискретизации и разрешению), а затем уже она может сконцентрироваться на потребляемой мощности. Например, 1-Гигасемпл в секунду ADC08D1000 использует параллельные компараторы в «свернутой» архитектуре (эффективный двухступенчатый перепрограммируемый преобразователь) для того, чтобы получить высокую частоту дискретизации. С текущей технологией (0.35 микрон CMOS) существует несколько способов быстро синхронизировать множество параллельных компараторов и причем не за счет мощности. Однако, 1.6 ватта, свойственные 8-битному компоненту National значительно ниже, чем у конкурентов в этом диапазоне скорости. Например, у MAX104 - 4.88W. «Но это устройство является радарным процессором, - отметил Махер Мата из Maxim и добавил: Военных больше интересует производительность, нежели потребляемая мощность».
Ресиверы базовых станций операторов мобильных телефонов. Здесь теперь сосредоточены разработки фактически всех производителей высокоскоростных конверторов. Потребность в выборе скорости дискретизации кажется очевидной: чем выше частота дискретизации, тем шире полоса обзора диапазона радиочастот, который может быть захвачен. Первоначально, рынок был заполнен 12-битными 65-Ms/s преобразователями, которые могут оцифровывать (с критериями сглаживания Nyquist) 30-иегагаерцовый срез желанного спектра.
В то время как конкуренты начали увеличивать частоты дискретизации в этой части рынка конверторов, производители базовых станций стали использовать стандартные компоненты по более низкой цене. Это позволило отрасли быстро развиваться, так как не было потребности в специализированных ASIC интегральных схемах.
Когда поставщики начали продвигать 14-битные компоненты для того же самого, потребность в высоком разрешении казалась очевидной: более широкий SFDR 14-битных позволил бы базовым станциям захватывать даже слабые сотовые сигналы в присутствии очень сильных. Следовательно, теперь большинство производителей изготавливает 14-битные конверторы с нормой 125-Ms/s. Примерами могут служить LTC2255 от Linear Technology, AD9445 от ADI и ADS5500 от TI.
Казалось бы, что такое применение должно было стать золотой жилой и развиваться дальше, к лучшему разрешению и скорости, но этого не произошло. Как сказал Рей (Reay), «производители базовых станций сейчас под неблагоприятным ценовым давлением; они теперь управляют затратами, а не производительностью, акцентируя внимание на более дешевом способе делать то, что они уже делают».
В большинстве случаев конструкторы базовых станций тормозят развитие 14-битных преобразователей, а порой и просто возвращаются к 12-битовым компонентам, поддерживаемые интерфейсными усилителями.
Как можно заметить, за последнее десятилетие мощность конверторов серьёзно возросла, и сейчас уже не предел прибор со скоростью 125Ms/s. И производство более быстрых и точных продуктов упирается только в потребности рынка. Можно не волноваться, что новый формат видео или аудио как-либо повлияет на этот рынок. Даже максимальные разрешения DVD аудио или HDTV для современных технологий конвертирования сигналов из цифровой в аналоговую форму, и наоборот, не столь заметны, чтобы это могло стать проблемой для нас, пользователей. Важен только вопрос энергопотребления, нынче он актуален абсолютно во всех технических областях.
| Технические требования к конверторам в зависимости от их применения Традиционные соотношения разрешения, частоты дискретизации и мощности | ||||
| Применение | Динамический диапазон | Скорость | Специальные требования | Представленные компоненты |
| Измерение давления | Тепловой шум, разрешение емкости к единице электрической ёмкости | < 1 кГц | Способность работать с очень маленькими изменениями в емкости, что позволяет получить более точный результат при измерении давления; Нулевой ток на входе, программируемое увеличение, внутренний датчик температуры | (все 24-битные) Analog Devices AD7745 Texas Instruments ADS1256 Linear Technology LTC2447 National Semiconductor ADC121S101 |
| Средства управления моторами | от 12 до 16 бит | 2,18 Msamples/s | Одновременное осуществление выборки и 3,75 кВ изолированная технология A/D | (12-битные) Analog Devices AD9229 Texas Instruments ADS7869 Linear Technology LTC1407A National Semiconductor ADC121S101 |
| Ультразвук | Тепловой шум, 10, от 12 до 14 бит | от 40 до 80 Msamples/s | От 128 до 512 каналов в каждой системе: небольшая мощность, более высокое интегрирование (четверки с последовательным интерфейсом низковольтного дифференциального сигнала (LVDS), восьмиштырьковые); 110 дБ изоляция канала | (12-битные) Analog Devices AD9229 Maxim MAX1434 Texas Instruments ADS5270 Linear Technology LTC2292 National Semiconductor ADC12DL040 |
| Цифровая камера | Тепловой шум, DNL, 14 бит | Pixel count, frame rate, > 40 Msamples/s | Расширенный динамический диапазон позволяет большему количеству механических камер (апертура, прерыватель) работать в цифровом интервале | Analog Devices AD9942 AFE National Semiconductor ADC121QS065 |
| Базовая станция сотового телефона | SFDR, SNR, флуктуация (в высоких частотах), 14 + бит | 65, 80, 105, 125, 250 Msamples/s A/D, > 500 МГц D/As | Исключительные частоты синхронизации, соответствующие специальным стандартам | Analog Devices AD9445 Maxim MAX19538 Texas Instruments ADS5500 Linear Technology LTC2255 National Semiconductor ADC12DL040 |
 |
|
Оставить комментарий