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模拟前端电路

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作者:时间:2005-06-17来源:
现在许多新颖的模拟前端(AFE-Analog Front End)瞄准了各种不同应用:有线和无线通信、工业电子、消费类产品,出现了专用和通用AFE来满足多种市场商求。
一般AFE为通用单元。AFE可以是“Littled,big-A”(少数为数字电路,多数为模拟电路)器件,用一个简单的状态机控制多路转换器,将信号传输给一个或多个数据转换器。AFE也可以是“big-D,little-a”(多数为数字电路,少数为模拟电路)器件,包括一个或多个数据转换器并带有其他微控制器外设。所有AFE的共同功能特点是它们的数据转换器(DAC和ADC)。其DAC结构没有大的差别,但ADC结构可以是Δ-Σ、逐次近似和流水线架构。每种架构在容吐量、分辩率、等待时间、滤波要求、功耗和硅占位面积方面均有局限性。不同的转换器架构在不同的目标应用中有不同的功能。
通用AFE
一些公司,包括ADI、Linear、Maxim和Silicon Labs采用硅CMOS增加仪器型ADC编程能力。其差别在于编程能力的类型一状态机或微控制器。如Linear 公司的ADC在输入具有引脚短接编程多路转换器,这种性能受到过程控制系统或传感器设计工程技术人员的喜爱。
不同的供应商对多路ADC AFE有不同的设计。这包括引脚短接或寄存器控制(通过并行接口)编程和单或多数据转换器。
Linear 公司的LTC1850/51 AFE片上8通道多路转换器向10或12位逐次近似ADC传送信号(见图1)。AFE具有扫描模式,可在8个多路转换通道间重复循环,并用连续扫描的16位地址和配置按顺序编程。也可以读回时序存储器。所有这些均通过短接AFE引脚来控制。
LTC1850家族中的每一款8位和10位产品都包含一对单逐次近似ADC和内置8通道多路转换器。绝对采样率可达1.25Msamples/s。但是,实际的采样率取决于采样的输入数量。也就是说,如果设计仅要求两个输入通道,那么,每个通道应连接多路转换器的4个输入,而每个通道的取样率应为625Ksamples/s。当每个多路转换器通道有不同的输入时,吞吐量为156Ksamples/s。
ADI公司的AD7266采用类似的设计理念(有专门的应用领域)。该器件集成了两个独立的12位逐次近拟ADC,允许同时采样和转换两个通道,吞吐率达2Msamples/s。每个ADC前面加有一个3通道多路转换器和一个抵噪声、宽带跟踪保持放大器(可处理超过10MHz的输入频率)。每个ADC有两个模拟输入,可编程3个全差分对或6个单端通道。每个通道的转换结果,可在单独数据线上同时读取或在同一数据线上连续读取。
Maxim公司的1402多路转换的信号较少,但分辨率较高,用Δ-Σ调制器和数字分样滤波器可以达到16位精度(图2)。数字滤波器的用户可选择取样因数,允许降低转换分辨率以换来较高的输出数据率。在输出数据率480SPS可实现真正的16位性能。可设置MAX1402的输入多路转换器,用来管理3个全差分信号或6个伪差分信号。多路转换器的后面是两个斩波放大器、一个可编程增益放大器(PGA,增益1_128)、一个用于消除系统漂移的粗DAC和一个2阶Δ-Σ转换器。1位数据流被可配置为SINC1或SINC3的集成数字滤波器滤波。转换结果可通过一个SPI/QSPI兼容的3线串行接口得到。
Silicon Labs的C8051 F350采用“多数字,少模拟”设计,这是公司最新推出的带片上ADC的8051兼容MCU。它集成有8通道24位Looksamples/s转换器、50MHzCPC。外设包括双8位DAC和温度传感器以及串行通信外设(UART,SPI,SMBus串行口)。
同样,Microchip 公司的PIC16F684、PIC16F688和PIC12F683 PIC基MCU 包含10位逐次近似ADC和8输入多路转换器。
更为复杂的是Cypress公司的PSOC家族,具有一组复杂的数字和模拟单元,完全可以电路内重新编程。一个PSOC IC模拟单元可包含多达4个ADC(6_14位分辨率,可选择流水线、Δ-Σ和逐次近似架构);2、4和6极带通、低通和陷波滤波器;6_9位DAC;PGA。PSOC设计工具包括2个预配置Δ-Σ转换器模型。一个具有8位分辨率,64X过取样并适合32ksamples/s。另一个具有11位分辨率,256X过取样,适合7.8ksamples/s。
在AFE中采用内插设计相对较简单,因此,将该功能内插到AFE中较为可取,并简化了数字主机芯片对其进行的输送。这也意味着芯片间的接口可以更低的速率工作,清除了可能的电磁干扰源。
ADI公司的AD9862是一款双12/14位、128Msamples/s ADC,带有取样滤波器和数字Hilbert滤波器。当滤波器使能时,它执行一次Hilbert转换,将单通道输入数据分解I和Q分量,用做图像抑制结构部分。然后,用片上数字复杂调制器对复杂数据做进一步处理。某些AFE也可能包括直接数字合成和数字混频器,所以在接收通道,Δ-Σ转换内含数字滤波。Δ-Σ转换在窄带无线应用中特别有用,因为它具有高选择性和非常高的瞬时动态范围。
根据转换器结构进行设计的工程技术人员可能会惊奇地发现,Δ-Σ转换采用的频率达到几赫兹。开始,Δ-Σ应用目标是高分辨率、慢速响应应用(如称重);后来应用到音频领域。工艺的进步使得Δ-Σ结构将取样速度增加到20Msamples/s,使有效带宽增加到2.5MHz,同时提供16位有效分辨率。
另一方面,尽管Δ-Σ转换在窄带无线应用(通过分立PF信道的语音通信)中颇具吸引力,但是,其架构不适于宽带应用。相反,逐次近似转换器通常用于工业控制和测量中的高速带宽应用。现在,16位300Msamples/s逐次近似转换器较为普遍。
流水线转换器成本较低,可用于只需8位或12位分辨率和10Msamples/s转换率的应用。流水线架构导致等待时间,但具有较高的芯片处理效率。一个12位流水线转换器需要4095个比较器和一个大芯片,导致芯片功耗很高。
相比较而言,通过分级转换,流水线转换器所需要的比较器数量大大减少,但要以牺牲6个或7个等待时间周期为代价。等待时间只是反馈控制系统中的一个潜在问题。在通信系统中这不是问题,因为转换器的等待时间对于整个信号链络的延迟来说是微不足道的。
在此之前,人们曾讨论过插入式滤波器放在DAC之前的原因。尽管Maxim公司的MAX1402在Δ-Σ转换器之后包含一个分样滤波器,但不会在流水线ADC的输出有一个分样滤波器。从经济角度看,在采用价廉ADC时可以在模拟域加入一个表面声波滤波器和另外滤波器。
有线通信用AFE
DSL和其他有线通信模式是AFE几个较大市场之一。ADI、TI、STMicro等公司具有许多瞄准大量应用领域的产品。
现在,由于有标准约定,所以,有线网络代表着一种新的具有挑战性的领域。ADI公司的AD9865支持有线网络、VDSL和HPNA(家用电话线网络联盟)宽带调制解调器。STMicro公司推出一种新AFE做为2芯片组的一部分,用于USB基速率自适应ADSL调制解调器。MTC20154由一个12位DAC和一个13位ADC(二者运行在8.8Msamles/s)组成。在该芯片组中,几乎所有的数字处理由MTC20455芯片执行。
无线通信用AFE
蓝牙和IEEE802.11标准继续推动着无线AFE市场。STMicro公司的STLC2150是一款完全集成的蓝牙单芯片无线电收发器,它与各种标准Blue RF接口基带处理器协同工作,这包括STLC2410(见图3)。
TI的AFE8201(图4)是更为通用的AFE,用于软件无线电中的IF接收信道。它取样窄带(2.5MHz或更低)IF信号并数字混频、滤波和分样信号到基带。
工业电子用AFE
ADI公司的ADS7869是瞄准工业市场的,它是一个12通道3ADC马达控制前端。该AFE提供3个全差分输入,每个输入连接到窗口比较器和符号比较器。芯片并行端口的数字接口可配置成不同的标准。此外,有一个用于控制的串行外设接口(SPI)。
信息家用用AFE
Philips公司的TDA875A是一款3路8位视频数据转换器,用于液晶显示(LCD)监视器、投影机和TV。该IC接收模拟RGB或YUA信号,并将它们转换为数字输出,用于分辨率高达QXGA(2048


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