通信系统关键的AD器件发展情况及瓶颈

　　A/D器件是整个通信系统中的关键所在，也是整个系统的瓶颈，国内外科研机构一直投入大量的物力、人力、财力致力于A/D器件的研究。通过分析总结A/D器件的国内外发展近况，总结得出了A/D器件的发展瓶颈，即采样速率的不断提高带来的孔径抖动问题以及ADC采样电路固有的限制。必须解决瓶颈问题，才能设计实现更高性能的A/D器件。

　　1 A/D器件；发展近况；瓶颈；孔径抖动

　　为了降低通信系统的复杂性，实现结构通用化、功能软件化，早在1992年MITOLA J就提出了软件无线电，而实现软件无线电的关键步骤是把通信系统中的ADC和DAC向射频端靠拢，最理想情况是天线接收的射频信号直接进入ADC［1］。随着COMS集成电路工艺的迅速发展，相对于模拟电路来说，数字电路集成度高、抗干扰强、易于实现和成本低的优势越来越明显。因此，数字电路常用来代替模拟电路以完成信号的处理。然而现实中信号大多是模拟的，比如温度、声音、图像和压力等模拟信号。因此就需要连接模拟信号与数字信号的桥梁——模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。

　　模数转换器是将现实世界中的模拟信号转换为数字信号的接口器件，是联系现实世界中模拟信号和数字信号的桥梁，是数字信号技术发展的基础。随着电子技术的迅猛发展以及大规模集成电路的广泛应用，ADC得到了广泛的应用。高速ADC被广泛应用于各个领域，如雷达、通信、电子对抗、测控、医疗、仪器仪表、高性能控制器以及数字通信系统等。但是ADC的发展速度仍不能满足数字信号处理的需要。在现代通信系统中，为了提高系统性能，更好地接收处理信号，MITOLA J提出了软件无线电（Software Radio）技术，即在数字领域实现对信号的处理。它要求ADC能够对2 MHz~2 GHz的通信频段进行处理，并要求有效位数达到12~14 bit，这就对ADC提出了更高的要求［2］。高性能的ADC已经成为现代数字信号处理系统中不可或缺的一部分，研究高速度、高分辨率、低功耗的ADC成为了新的发展趋势，也是国内外研究的热点和难点，因此对ADC的应用研究具有重要意义。

　　1.1 工业界的A/D器件

　　在工业界中，全球知名A/D器件公司对于高精度、高速率A/D器件的设计研发已经成熟。在美国德州仪器公司收购了国家半导体公司之后，德州仪器公司的中高精度、 超高速ADC体系已经越发完善。例如其产品ADS1282?HT就是一款分辨率为31 bit、采样率为45 kS/s的用于地震监测和能源开发的具有PGA的超高分辨率的∑-ΔADC；ADS1255则是一款24 bit、30 kS/s极低噪声的∑-ΔADC，可以应用于对噪声要求极高的信号系统中。另一大芯片公司美信公司在高速率、高精度的A/D器件上也很成熟，比如MAX11905是一款20 bit、 1.6 MS/s、低功耗、全差分SAR ADC，带有内部基准缓冲器，具有很好的动态和静态性能，功率正比于吞吐率，在同类的产品中具有最佳指标。MAX11905采用20引脚、4 mm&TImes;4 mm、TQFN封装，可以工作在-40℃~+85℃的温度范围内。此外，国外的Atmel、Linear、Rohm等芯片公司设计新的A/D器件都是走在技术的尖端［3］。

　　1.2 学术界的A/D器件

　　超高速、中高精度的A/D器件也引起了众多科研机构的兴趣，世界上诸多知名院校投入大量的科研人员和经费进行A/D的研发设计，以研究出更高性能的ADC。

在2004年，美国的加州大学设计研发了一款转换精度8 bit、转换速率600 MS/s的折叠插值式A/D器件，该器件采用了0.18 μm CMOS工艺。在2008年，它们采用单通道并行的结构实现了一款速率为2.5 GS/s、精度为8 bit的超高速A/D器件，该器件是在90 nm的CMOS工艺上实现的。同年，又设计实现一款1 GS/s、10 bit的流水线级联折叠结构的A/D器件，该器件采用了0.35 μm SiGeBiCMOS工艺。2011年，意大利大学帕维亚大学的Aldo Pena Perez在ISSCC（InternaTIonal Solid?State Circuits Conference）发表使用三阶调制器的Sigma?Delta型低速超高精度的模数转换器，在输入信号的带宽达到100 kHz时，实现了SNDR（Signal?to?Noise?and?DistorTIon RaTIo）为84 dB，SFDR为96 dB、功耗仅为140 μW的性能，其采用的是0.18 μm CMOS工艺。同年，博通公司的Chen Chunying发表了VLSI Circuits上的一款高速度、高精度的流水线型模数转换器，该ADC实现了12 bit、3 GS/s的性能指标，并且在输入信号频率达到1.2 GHz的时候SNDR仍高于50 dB，其采用了40 nm的CMOS数字工艺，整体功耗也仅仅只有500 mW［4］。2014年TI宣布推出最新的SAR型ADC，此次推出的ADS7042是业界功