ADI引領(lǐng)全球數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場，重心仍在工業(yè)與儀器儀表應(yīng)用

近日，阿德諾半導(dǎo)體公司(ADI)深圳媒體培訓(xùn)交流會第二季在深圳召開，ADI現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)理章新明(Eagle Zhang)、技術(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)理張松剛(Singer Zhang)分別主講了“高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器原理以及精確技術(shù)指標(biāo)對系統(tǒng)的影響”和“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在工業(yè)與儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例”兩個(gè)部分。

SAR ADC的結(jié)構(gòu)、特性與重要指標(biāo)

ADI技術(shù)專家章新明首先講解有關(guān)逐次逼近型ADC(SAR ADC)基礎(chǔ)知識，包括逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)、算法、工作原理、逐次逼近型寄存器ADC的特點(diǎn)，以及轉(zhuǎn)換器的高級規(guī)格，包括ADC和DAC的重要直流規(guī)格、分辨率、增益誤差、失調(diào)誤差、微分非線性(DNL)、積分非線性(INL)等性能參數(shù)的概念和校正方法。

與Σ-Δ型ADC不同，SAR ADC是由一個(gè)比較器和DAC通過逐次比較邏輯構(gòu)成，其轉(zhuǎn)換技術(shù)類似于利用一個(gè)天平將一個(gè)樣本與一系列重量經(jīng)過校準(zhǔn)的測試樣本進(jìn)行比較，通過增減測試樣本，利用分辨率誤差最小并輕于樣本的測試樣本來估算樣本的重量。其工作過程是從最大值MSB開始，按順序地對每一位輸入信號(VIN)與內(nèi)置高分辨率DAC輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。

逐次逼近型寄存器ADC的特點(diǎn)（優(yōu)缺點(diǎn)）：1.逐次逼近型寄存器ADC結(jié)構(gòu)簡單。它使用低壓CMOS (<3V)，支持低功耗工作；2.常用于商業(yè)/工業(yè)及相關(guān)應(yīng)用。中等分辨率（12 至16 位）；中等速度（100 kHz 至1 MHz）；3.ADC線性度高度依賴于內(nèi)部DAC的精度。如果內(nèi)部DAC不是單調(diào)遞增，那么ADC本身就會存在失碼。

判斷ADC和DAC的性能，主要指標(biāo)包括如下六個(gè)：分辨率、增益誤差、失調(diào)誤差、微分非線性(DNL)誤差、積分非線性(INL)誤差和失碼。增益誤差和失調(diào)誤差，類似于運(yùn)算放大器誤差。失調(diào)誤差會引起輸入/輸出關(guān)系在水平方向發(fā)生偏移，而增益誤差會引起輸入/輸出關(guān)系發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。失調(diào)誤差和增益誤差均可消除。

除了分辨率或精度問題，另外兩個(gè)重要的靜態(tài)性能還包括微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。DNL和INL是兩個(gè)重要的直流指標(biāo)，其測量方法主要是快速傅里葉變換。ADC的交流指標(biāo)包括：信噪比(SNR)/信納比(SINAD)、有效位數(shù)(ENOB)、全功率帶寬(FPBW)、采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、高頻失真(THD)、交調(diào)失真(IMD)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。其中，信納比和無雜散動(dòng)態(tài)范圍是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是信號處理必不可少的組成部分，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)控制和過程控制都離不開數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。對于運(yùn)動(dòng)控制而言，電機(jī)運(yùn)行的速度非?？?，宜選用SAR ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；而對于慢速的過程控制，則通常選用Σ-Δ ADC來實(shí)現(xiàn)。對于電機(jī)控制，一般12位ADC就能滿足要求；對于電力系統(tǒng)智能電表的應(yīng)用，則會用到14位、16位的ADC(電表動(dòng)態(tài)范圍為4000:1(0.01Ib~40Ib)時(shí)，12位精度是要求的底線)。

ADI轉(zhuǎn)換器在工業(yè)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用

技術(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)理張松剛主講ADI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在工業(yè)與儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。在ADI 2011財(cái)年的30億美元營收中，有超過三分之一是來自工業(yè)領(lǐng)域，遠(yuǎn)超其他終端市場，其余依次是通信、消費(fèi)電子、汽車以及健康醫(yī)療領(lǐng)域。ADI產(chǎn)品線按照規(guī)模依次是轉(zhuǎn)換器、放大器/RF、信號處理和MEMS、DSP、電源管理六大類，貫穿整個(gè)信號鏈，其方案包括參考設(shè)計(jì)、SiP和SOC產(chǎn)品。

而在市場份額方面，在全球范圍內(nèi)，ADI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場份額高達(dá)49%，比其他幾家主要競爭對手的總份額加起來還要多。張松剛介紹說，ADI的工業(yè)和儀器儀表部門涵蓋的領(lǐng)域非常廣，包括過程控制、電機(jī)控制、安防、儀器儀表、能源管理、樓宇技術(shù)、自動(dòng)化測試設(shè)備、軍工、航天等等。其中，工業(yè)自動(dòng)化（過程、電機(jī)、安防和建筑）、儀器儀表（分析、特殊類）和能源（電力輸配、新能源、電表等）是ADI的三大主要市場。

張松剛闡述了過程控制、電網(wǎng)、儀器儀表、能源管理等領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展趨勢，以及ADI產(chǎn)品為應(yīng)對行業(yè)新趨勢所帶來挑戰(zhàn)的應(yīng)對之道。張松剛表示，憑借高性能高可靠的集成解決方案，ADI在眾多工業(yè)領(lǐng)域有著大量的成功案例。比如，在中國的配輸電領(lǐng)域，ADI最先推出的AD7755計(jì)量芯片也是中國最早的智能電表的計(jì)量芯片，是目前唯一一顆單顆賣到2億顆的產(chǎn)品?，F(xiàn)在，ADI已經(jīng)在覆蓋全程高中低壓，著重于輸配電領(lǐng)域。

從最早的AD7865到現(xiàn)在的AD7656、AD7606的，實(shí)際上反映了不同電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的要求。四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ADI產(chǎn)品在成本、噪聲特性、和效率上都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

四種電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和ADI產(chǎn)品

關(guān)于智能電網(wǎng)未來趨勢，張松剛表示，通訊是未來智能電表的發(fā)展方向。而在通訊方式上，不同地區(qū)會有不同選擇，日本、澳大利亞和美國關(guān)注的是RF無線，中國則更關(guān)注電力線載波，選擇何種技術(shù)主要取決于當(dāng)?shù)氐淖≌怯畹拳h(huán)境特性。ADI的RF電表方案在美國加州已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在中國，由于競爭比較激烈，所以ADI的PLC方案主要還是集中在幾家大的電表公司采用。

在新能源領(lǐng)域，太陽能逆變器的轉(zhuǎn)換技術(shù)是ADI的關(guān)注點(diǎn)。在智能電網(wǎng)的應(yīng)用中，對110KV以上的輸電網(wǎng)應(yīng)用而言，目前基本精度要求是12位轉(zhuǎn)換器，對于三相電網(wǎng)而言，要求16位多通道同步采樣轉(zhuǎn)換器。如ADI的AD7606就是16位8通道同步采樣轉(zhuǎn)換器，滿足高精度、多通道和高速轉(zhuǎn)換的要求。而對于66KV以下的配網(wǎng)而言，原先對轉(zhuǎn)換器的要求并不高，隨著配送系統(tǒng)的復(fù)雜度的增加，現(xiàn)在則越來越向輸電網(wǎng)要求看齊。