tamara schmitz

混合信號解決方案是不可阻擋的趨勢。我們希望電子設備能夠與我們交互，當我們靠近時，車門應當自動開鎖，當我們坐在電腦前，電腦應當能自動開啟，或者至少，屏幕保護程序應當有所動作，表示它很高興我們回來了。當我們身處低光照條件下時，手機屏幕應當變暗以節約能量，溫度調節裝置應當把房間溫度保持在一個舒適范圍內。人類是模擬的，意味著他們的變化是無窮的，而電子產品用電壓和電流做為它們自己的語言來與人類溝通。在電領域，從傳感器最初讀到的通常是由輸入電路調節、轉換成數字信號、處理，再轉換回模擬信號，經過適當調節后再與我們交互。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、處理功耗和技術上會有所變化。在開始討論系統級的問題之前，讓我們多看看每個功能塊（從左至右）的細節。

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備中，環境光傳感器是一個必備的器件，可起到節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、斬波穩定放大器、低噪聲放大器和輸入偏置消磁放大器。每個系統解決方案都有不同的需求，應當與針對方案進行優化的放大器匹配使用。

如果需要濾波(多數情況下是需要的)，可以把濾波電路放在放大器周圍，或是串接到系統中。濾波本身就是一門藝術。有上百種在線程序能夠幫助你設計系統所需的電路。有一個新工具組合了實際的電路設計技巧和濾波器設計上的多年經驗，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， 模數轉換器(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將決定系統的比特數、系統速度和主耗能模塊之一。選定拓撲會產生不同的折中，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轉換器，通常工作在低頻，不過也有幾種產品的頻率突破了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。積分型轉換器是低速轉換器，原因是這種轉換器需要花時間對輸入信號進行平均。由于這種轉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要在一步內計算出轉換結果。如果你選擇在功耗上做出讓步，使用一個兩級方案，就被稱為多級轉換器。如果你選擇3級甚至更多級方案，那你通常可以稱之為流水線型轉換器。流水線型adc的工作頻率從55khz到500mhz，分辨率可以高達16位。

數字信號處理通常是由微控制器或fpga完成的。可以根據分辨率、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計者以前使用過這些器件，對器件很熟悉。設計者還要讓adc產生的信號或dac需要的信號保持一致。事實上，有許多內建adc和dac的此類器件可供使用。這些內建的轉換器對簡單的解決方案來說已經足夠了，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的高質量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性(輸入電壓每增加一點，輸出電壓會相應地增加)。

無論要驅動的負載是什么，都要用輸出放大器對dac進行緩沖。在某些情況下，根據dac的輸出信號，這個放大器還必須把電流轉換成電壓。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。

混合信號系統問題

現在，我們已經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。成本決定了許多設計的選型。如果成本是首要的考慮因素，那么使用內置adc和dac的微控制器也許是你的最優選項。設計者更喜歡選擇的次優選項是成對工作的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商。制造商一般會提供演示板，以便減少調試時間。

許多設計者正想辦法把信號鏈的兩端進行集成。如果不要求象轉換器那樣把這些功能做在一個硅片上，現在的技術已經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，在商用產品中看來是肯定會這樣做的。如果一個系統設計者想選用一個組合運放和轉換器功能的器件來節省空間，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準產品(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。產品或應用可能比較新，還沒到有必要投資開發一個assp設計的地步。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換器配置？萬一你必須快速建立一個原型產品？萬一小的設計改動能讓你的系統設計更加靈活并且能容納更多的應用和更多的客戶？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來達到系統所需的動態范圍/cmrr。分立方案的選擇更多，對應用的優化也更多。許多有經驗的系統設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揮，通過系統設計，它就會讓我們的生活變得更加輕松。