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データコンバータは、「現実世界」のアナログ領域と 1 と 0 で構成されるデジタル世界の間のゲートウェイとして、現代の信号処理における重要な要素の 30 つです。 過去 XNUMX 年間に、データ変換の分野で多数の革新的なテクノロジーが登場しました。 これらのテクノロジーは、医療画像からセルラー通信、民生用オーディオやビデオに至るまで、さまざまな分野でパフォーマンスの向上とアーキテクチャの進歩を促進しただけでなく、新しいアプリケーションの実現にも役割を果たしました。 重要な役割。
ブロードバンド通信と高性能イメージング アプリケーションの継続的な拡大により、高速データ変換の特別な重要性が浮き彫りになっています。コンバータは、10 MHz ~ 1 GHz の範囲の帯域幅の信号を処理できなければなりません。 人々は、それぞれに独自の利点を持つさまざまなコンバーター アーキテクチャを通じてこれらの高速度を実現しています。 アナログ領域とデジタル領域の間を高速で切り替えると、アナログ信号だけでなくクロック信号やデータ信号の信号の完全性にも特別な課題が生じます。 これらの問題を理解することは、コンポーネントの選択にとって重要であるだけでなく、システム アーキテクチャ全体の選択にも影響します。
1.より高速
多くの技術分野において、私たちは技術の進歩を高速化と結びつけることに慣れています。イーサネットからワイヤレス ローカル エリア ネットワーク、セルラー モバイル ネットワークに至るまで、データ通信の本質はデータ伝送速度を継続的に向上させることです。 クロック レートの進歩により、マイクロプロセッサ、デジタル シグナル プロセッサ、FPGA は急速に発展しました。 これらのデバイスは主にエッチング プロセスのサイズ縮小の恩恵を受け、その結果、スイッチング速度が向上し、トランジスタのサイズが小さくなり (消費電力が低くなります) なります。 これらの進歩により、処理能力とデータ帯域幅が飛躍的に増大する環境が生まれました。 これらの強力なデジタル エンジンは、有線か無線かにかかわらず、静止画像からビデオ、帯域幅とスペクトルに至るまで、信号とデータの処理要件に同様の指数関数的な増加をもたらしました。 100 MHz のクロック レートで動作するプロセッサは、1 MHz ~ 10 MHz の帯域幅の信号を効果的に処理できる場合があります。数 GHz のクロック レートで動作するプロセッサは、数百 MHz の帯域幅の信号を処理できます。
当然のことながら、より強力な処理能力とより高い処理速度は、より高速なデータ変換につながります。広帯域信号はその帯域幅を拡張し (多くの場合、物理機関または規制機関によって設定されたスペクトルの制限に達します)、イメージング システムは XNUMX 秒あたりのピクセルの処理能力を増加しようとします。高解像度の画像をより速く処理するため。 この非常に高い処理性能を活用するためにシステム アーキテクチャが革新され、並列処理の傾向もあり、マルチ チャネル データ コンバータが必要になる場合があります。
アーキテクチャにおけるもう 200 つの重要な変化は、マルチキャリア/マルチチャネル、さらにはソフトウェア定義システムへの傾向です。 従来のアナログ集約型システムは、多くの信号調整作業 (フィルタリング、増幅、周波数変換) をアナログ領域で完了します。 適切な準備の後、信号はデジタル化されます。 一例は FM 放送です。特定の局のチャネル幅は通常 88 kHz で、FM 帯域の範囲は 108 MHz ~ 10.7 MHz です。 従来の受信機は、ターゲット局の周波数を 20 MHz の中間周波数に変換し、他のすべてのチャネルをフィルタリングして除去し、信号を最適な復調振幅まで増幅します。 マルチキャリア アーキテクチャは、XNUMX MHz FM 周波数帯域全体をデジタル化し、デジタル処理技術を使用してターゲット局を選択および復元します。 マルチキャリア方式はより複雑な回路を必要としますが、システムには大きな利点があります。システムは側波帯局を含む複数の局を同時に回復できるという点です。 適切に設計されていれば、マルチキャリア システムは、新しい規格 (たとえば、無線側波帯に割り当てられた新しい高品位無線局) をサポートするようにソフトウェアを介して再構成することもできます。 このアプローチの最終目標は、すべての周波数帯域に対応できる広帯域デジタイザと、あらゆる信号を復元できる強力なプロセッサを使用することです。これがいわゆるソフトウェア無線です。 ソフトウェア定義の計測機器、ソフトウェア定義のカメラなど、他の分野にも同等のアーキテクチャがあります。これらは仮想化された信号処理と同等のものと考えることができます。 このような柔軟なアーキテクチャを可能にするのは、強力なデジタル処理技術と高速・高性能のデータ変換技術です。
2. 帯域幅とダイナミックレンジ
アナログ信号処理であってもデジタル信号処理であっても、その基本的な要素は帯域幅とダイナミック レンジであり、これら XNUMX つの要素によってシステムが実際に処理できる情報量が決まります。 通信の分野では、クロード シャノンの理論はこれら XNUMX つの側面を使用して、通信チャネルが伝送できる情報量の基本的な理論的制限を説明しますが、その原理は多くの分野に適用できます。 イメージング システムの場合、帯域幅は特定の時間に処理できるピクセルの数を決定し、ダイナミック レンジは知覚可能な最も暗い光源とピクセルの飽和点の間の強度または色の範囲を決定します。
データ コンバータの使用可能な帯域幅には、ナイキスト サンプリング理論によって設定された基本的な理論上の制限があります。帯域幅 F の信号を表現または処理するには、動作サンプリング レートが少なくとも 2 F のデータ コンバータを使用する必要があります。 (このルールはアナログとデジタルの両方のサンプリング データ システムに適用されることに注意してください)。 実際のシステムでは、一定量のオーバーサンプリングによりシステム設計が大幅に簡素化されるため、より一般的な値は信号帯域幅の 2.5 ~ 3 倍になります。 前述したように、処理能力の向上により、より高い帯域幅を処理するシステムの能力が向上する可能性があり、携帯電話、ケーブル システム、有線および無線ローカル エリア ネットワーク、画像処理、計測器などのシステムはすべて、より高い帯域幅のシステムに移行しています。 帯域幅要件が継続的に増加しているため、より高いサンプリング レートのデータ コンバータが必要です。
帯域幅の次元が直観的で理解しやすい場合、ダイナミック レンジの次元はややわかりにくいかもしれません。 信号処理において、ダイナミック レンジは、システムが飽和やクリッピングなしで処理できる最大の信号と、システムが効果的にキャプチャできる最小の信号の間の分布範囲を表します。 ダイナミック レンジには 12 つのタイプが考えられます。設定可能なダイナミック レンジは、低解像度のアナログ/デジタル コンバータ (ADC) の前にプログラマブル ゲイン アンプ (PGA) を配置することで実現できます (4 ビットの設定可能なダイナミック レンジの場合を想定) 、8 ビット コンバータの前に XNUMX ビット PGA を配置します): ゲインが低い値に設定されている場合、この構成はコンバータの範囲を超えることなく大きな信号をキャプチャできます。 信号が小さすぎる場合、PGA を高ゲインに設定して、コンバータのノイズ フロアを超えて信号を増幅できます。 信号はステーションの強いか弱いか、またはイメージング システムの明るいピクセルか暗いピクセルである可能性があります。 一度に XNUMX つの信号のみを回復しようとする従来の信号処理アーキテクチャの場合、この構成可能なダイナミック レンジは非常に効果的である可能性があります。
瞬間的なダイナミック レンジはより強力です。この構成では、システムは大きな信号をクリッピングすることなく同時にキャプチャするのに十分なダイナミック レンジを備え、同時に小さな信号も回復します。現在、14 ビット コンバータが必要になる場合があります。 この原理は、強いまたは弱い無線信号の復元、携帯電話信号の復元、画像の非常に明るい部分と非常に暗い部分の復元など、多くの用途に適しています。 システムではより複雑な信号処理アルゴリズムが使用される傾向にありますが、ダイナミック レンジに対する要求も高まるでしょう。 この場合、システムはより多くの信号を処理できます。すべての信号の強度が同じで、3 倍の信号を処理する必要がある場合、ダイナミック レンジを XNUMX dB 増やす必要があります (他のすべての条件が等しい場合)。 おそらくもっと重要なことは、前述したように、システムが強い信号と弱い信号の両方を同時に処理する必要がある場合、ダイナミック レンジの増分要件がはるかに大きくなる可能性があることです。
3. ダイナミックレンジのさまざまな尺度
デジタル信号処理では、ダイナミック レンジの重要なパラメータは信号表現のビット数、つまり語長です。32 ビット プロセッサのダイナミック レンジは 16 ビット プロセッサのダイナミック レンジよりも大きくなります。 大きすぎる信号はクリップされます。これは非常に非線形な操作であり、ほとんどの信号の完全性が破壊されます。 小さすぎる信号 (振幅が 1 LSB 未満) は検出できなくなり、失われます。 この限られた分解能は量子化誤差または量子化ノイズと呼ばれることが多く、検出可能性の下限を確立する際の重要な要素となる可能性があります。
量子化ノイズも混合信号システムの要因ですが、データ コンバーターの使用可能なダイナミック レンジを決定する要因は複数あり、各要因には独自のダイナミック レンジがあります。
信号対ノイズ比 (SNR) - 周波数帯域の総ノイズに対するコンバータのフルスケールの比。 このノイズは、量子化ノイズ (前述のとおり)、熱ノイズ (実際のすべてのシステムに存在)、またはその他の誤差項 (ジッターなど) から発生する可能性があります。
静的非直線性 - 微分非直線性 (DNL) および積分非直線性 (INL) - データ コンバーターの入力から出力までの DC 伝達関数の非理想的な程度の尺度 (DNL は通常、ダイナミクスを決定します)イメージング システム範囲の)。
全高調波歪み - 静的および動的非直線性により高調波が生成され、他の信号が効果的に遮蔽される可能性があります。 通常、THD はオーディオ システムの有効ダイナミック レンジを制限します。
スプリアス フリー ダイナミック レンジ (SFDR) - 60 次または XNUMX 次高調波クロック フィードスルー、さらには XNUMX Hz の「ハミング」ノイズなど、入力信号に対する最大のスペクトル スプリアスを考慮します。 スペクトル トーンまたはスプリアスは小さな信号を遮蔽する可能性があるため、SFDR は多くの通信システムで利用可能なダイナミック レンジを示す優れた指標となります。
他にも技術仕様があり、実際、各アプリケーションには独自の有効なダイナミック レンジ記述方法がある場合があります。 初めは、データ コンバーターの解像度がダイナミック レンジの適切な代用となりますが、実際の決定を下す際には、正しい技術仕様を選択することが非常に重要です。 重要な原則は、多ければ多いほど良いということです。 多くのシステムは、より高い信号処理帯域幅の必要性をすぐに認識できますが、要件がより厳しい場合でも、ダイナミック レンジの必要性はそれほど直感的ではない場合があります。
信号処理の主な XNUMX つの側面は帯域幅とダイナミック レンジですが、XNUMX 番目の側面である効率を考慮する必要があることに注意してください。これは、「追加のパフォーマンスを達成するには、どのくらいのパフォーマンスが必要か」という質問に答えるのに役立ちます。料金?" 購入価格からコストを調べることもできますが、データ コンバーターやその他の電子信号処理アプリケーションの場合、より純粋な技術的なコストの尺度は消費電力です。 帯域幅やダイナミック レンジが広い高性能システムほど、消費電力が増加する傾向があります。 テクノロジーの進歩に伴い、私たちは皆、帯域幅とダイナミックレンジを拡大しながら消費電力を削減しようと努めています。
4.主な用途
前述したように、各アプリケーションには基本的な信号の寸法に関して異なる要件があり、特定のアプリケーションでは多くの異なるパフォーマンスが存在する可能性があります。 たとえば、1万画素のカメラと10万画素のカメラ。 図 4 は、いくつかの異なるアプリケーションで通常必要とされる帯域幅とダイナミック レンジを示しています。 図の上部は、一般に 25 MHz 以上のサンプリング レートを備えた高速コンバータと呼ばれ、10 MHz 以上の帯域幅を効果的に処理できます。
アプリケーション図は静的ではないことに注意してください。 既存のアプリケーションは、高解像度カメラや高解像度の 3D 超音波装置など、機能を強化するために新しい高性能テクノロジーを使用する場合があります。 さらに、新しいアプリケーションは毎年登場します。高速と高解像度の新しい組み合わせのおかげで、新しいアプリケーションの大部分はパフォーマンス境界の外側にあります。 その結果、コンバータの性能の限界は池のさざ波のように拡大し続けます。
また、ほとんどのアプリケーションでは消費電力に注意を払う必要があることも覚えておく必要があります。ポータブル/バッテリ駆動のアプリケーションの場合、消費電力が主な技術的制限になる可能性がありますが、ライン電源システムの場合でも、信号処理コンポーネントが重要であることがわかり始めています。 (アナログ、デジタルかどうかに関係なく) 電力消費は最終的に、特定の物理領域におけるシステムのパフォーマンスを制限します。
5. 技術開発の動向と革新 - どのように実現するか...
これらのアプリケーションにより高速データコンバータのパフォーマンス要件が高まり続けていることを考慮して、業界は継続的な技術進歩でこれに対応してきました。 テクノロジーは、次の要因により高度な高速データ コンバーターを推進します。
プロセス テクノロジ: ムーアの法則とデータ コンバータ - 半導体業界のデジタル処理パフォーマンスの継続的な進歩は誰の目にも明らかです。 主な原動力は、より微細なピッチのリソグラフィープロセスに向けてウェーハ処理技術が大きく進歩したことです。 ディープ サブミクロン CMOS トランジスタのスイッチング レートは、以前のトランジスタのスイッチング レートをはるかに上回り、コントローラ、デジタル プロセッサ、FPGA の動作クロック レートを数 GHz ステップに引き上げます。 データコンバータなどのミックスドシグナル回路も、エッチングプロセスのこうした進歩を利用して、「ムーアの法則」の影響で高速化を図ることができますが、ミックスドシグナル回路の場合、これには代償が伴います。エッチングプロセスの電圧は継続的に低下する傾向があります。 これは、アナログ回路の信号振幅が縮小し、アナログ信号を熱ノイズ フロアよりも上に維持することが困難になっていることを意味します。ダイナミック レンジが減少する代わりに、より高速な速度が得られます。
先進的なアーキテクチャ(原始時代のデータコンバータではありません) - 半導体プロセスが飛躍的に発展する一方、過去20年間で高速データコンバータの分野にもデジタル波の革新の波が押し寄せてきました。驚異的な効率でより高い効率を達成するために、帯域幅とより広いダイナミックレンジが大きく貢献しました。 従来、高速アナログ - デジタル コンバータには、完全並列アーキテクチャ (アッシュ)、フォールディング アーキテクチャ (フォールディング)、インターリーブ アーキテクチャ (インターリーブ)、パイプライン アーキテクチャ (パイプライン) など、さまざまなアーキテクチャがありました。今日人気があります。 その後、逐次比較レジスタ (SAR) や逐次比較レジスタ (SAR) など、低速アプリケーションに伝統的に使用されていたアーキテクチャも高速アプリケーションに追加されました。 これらのアーキテクチャは、高速アプリケーション向けに特別に変更されました。 各アーキテクチャには独自の長所と短所があります。一部のアプリケーションは通常、これらのトレードオフに基づいて最適なアーキテクチャを決定します。 高速 DAC の場合、一般に推奨されるアーキテクチャはスイッチ電流モード構造ですが、このタイプの構造には多くのバリエーションがあります。 スイッチト キャパシタ構造の速度は着実に向上しており、一部の組み込み高速アプリケーションでは依然として非常に人気があります。
デジタル補助方式 - 長年にわたり、職人技とアーキテクチャに加えて、高速データコンバータ回路技術も輝かしい革新を生み出してきました。 このキャリブレーション方法には数十年の歴史があり、集積回路コンポーネントの不整合を補償し、回路のダイナミック レンジを改善する上で重要な役割を果たしています。 キャリブレーションは静的な誤差補正の範囲を超え、セットアップ エラーや高調波歪みなどの動的な非線形性を補償するために使用されることが増えています。
つまり、これらの分野の革新により、高速データ変換の開発が大きく促進されました。
6. 実現する
広帯域ミックスシグナル システムの実現には、適切なデータ コンバーターを選択するだけでは不十分です。これらのシステムには、信号チェーンの他の部分にも厳しい要件がある場合があります。 同様に、課題は、より広い帯域幅範囲で優れたダイナミック レンジを実現し、デジタル ドメインの処理能力を最大限に活用して、より多くの信号をデジタル ドメインに出入りさせることです。
—従来のシングルキャリアシステムでは、信号調整は不要な信号をできるだけ早く除去し、目的の信号を増幅することです。 これには、多くの場合、ターゲット信号に合わせて微調整された選択フィルタリングと狭帯域システムが含まれます。 これらの微調整された回路はゲインを達成するのに非常に効果的であり、場合によっては、周波数計画技術を使用して高調波やその他のスプリアスが帯域から確実に排除されるようにすることもできます。 ブロードバンド システムではこれらの狭帯域テクノロジーを使用できず、これらのシステムで広帯域の増幅を実現するには大きな課題に直面する可能性があります。
— 従来の CMOS インターフェイスは 100 MHz をはるかに超えるデータ レートをサポートしていません。また、低電圧差動スイング (LVDS) データ インターフェイスは 800 MHz ~ 1 GHz で動作します。 データ レートを大きくするには、複数のバス インターフェイスを使用するか、SERDES インターフェイスを使用します。 最新のデータ コンバータは、最大レート 12.5 GSPS の SERDES インターフェイスを使用します (仕様については JESD204B 規格を参照)。複数のデータ チャネルを使用して、コンバータ インターフェイスの解像度とレートのさまざまな組み合わせをサポートできます。 インターフェース自体は非常に複雑になる場合があります。
—システム内で使用されるクロックの品質に関しては、高速信号の処理も非常に難しい場合があります。 図 5 に示すように、時間領域のジッター/エラーは信号のノイズまたはエラーに変換されます。100 MHz を超えるレートで信号を処理する場合、クロック ジッターまたは位相ノイズが利用可能なダイナミック レンジの制限要因になる可能性があります。コンバーターの。 デジタル レベルのクロックはこのタイプのシステムには適切ではない可能性があり、高性能クロックが必要になる場合があります。
より広い帯域幅の信号とソフトウェア定義システムへのペースは加速しており、業界は革新を続けており、より優れたより高速なデータコンバータを構築するための革新的な方法が登場し、帯域幅、ダイナミックレンジ、電力効率の XNUMX つの側面を新たなレベルに押し上げています。レベル。
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