模拟工程师如何将数字设计带入现实生活中

“数字革命”通过改造我们与周围世界的关系已经改变了我们通信、工作和旅行的方式。数字化电子设备通过各种便携式的、容易访问的交互式通信媒体构成的巨大网络已经改造了我们的世界。快速而准确地从我们的周围环境收集图象、语音和音频数据并且在数字领域内管理和控制这些数据的能力已经实现了任何时间、任何地点的通信和提高性能的计算。数字化电子设备还产生了更可靠和更便宜的医用电子设备。它为多样性消费类设备带来了激动人心的、交互式的多媒体内容。总起来说，上述的进步已经将我们生活的世界置于我们完全数字化的控制和管理之中。 但是，数字技术可信赖的优势只有当它和模拟技术的能力一样好时才能体现出来，模拟技术能够忠实地将由 “1”和“0”表示的数字信号还原为人能够听、看、感觉或感知的模拟信号。 如果没有重大而同步的模拟技术创新，那么数字革命的效果可能黯然失色。我们用数字方式扑获信息的领域越多，我们必须完成的数模转换和还原的数据就越多——不论是实时的语音传输、音频信号还是视频图象。当今蜂窝手机不断减小外形尺寸并且不断增加功能设置，高端汽车音响系统的声音质量以及广播数字电视的高清晰度（HD）图象不仅是智能电路设计、先进制造工艺和高性能数字处理技术的产物，也是模拟设计不断进行革命的产物。 实际上，数以千计的终端市场和应用中大量的数字产品已经引起了同样的、而且往往是成比例增大的对高质量模拟技术的需求。例如，高速数字处理器（DSP）能使数字音频接收器能够通过增加多个音频通道来提高其性能。但是，每个新的通道都需要一个独立的功率放大器以便按照人耳容易分辨和舒适的方式驱动输出信号。事实上，据DataBeans市场调查公司估计，为一个电子终端产品设计每增加一美元的数字集成电路（IC），同时就需要价值高达1.4美元的模拟IC。 数字电子设备的迅速增长实际上更加驱动了对模拟IC的需求。在许多情况下，新的数字产品需要高集成度和高性能模拟IC达到新的水平，以便能够转换、调理和稳定信号以及控制和给链路供电，从而决定当今的高级系统功能。实际上，一些终端用户在获悉他们最喜爱的数字产品中的许多功能主要是由于模拟技术创新而不是数字电路时，可能会感到很惊讶。请考察下面的应用趋势和模拟技术正在推动和决定数字技术前景的发展路线： %26;#8226; 数码照相机：当数码照相机在15年以前进入消费类市场时，它开始着手满足并并且超过35 mm电影胶片的质量。虽然DSP和微控制器（MCU）处理技术的进步已经以数字方式为快速地处理图象提供了所需的带宽，但是那些图象的质量依赖数码照相机模拟前端（AFE）中的高性能数据转换器的能力来降低噪声并且增大动态范围。数据转换技术的进步还使得AFE解决了其它常见的性能问题，例如降低功耗以延长电池的工作寿命，提高转换采样速率以提高照相机快门的速度，还有提高图象传感器的感光灵敏度以降低高分辨率照相机对闪光的要求。这些功能已经使得一个典型的数码照相机中的模拟半导体IC成本从几年前的不到2美元增加到如今的超过5美元。下一代的数码照相机可能需要价值高达15美元的模拟IC。 另外，模拟技术创新不仅仅提高了数码照相机的性能，它还有助于产生多种新的照相机设计。例如，模拟技术和基于微电子机械系统（MEMS）的传感器相结合，为了避免拍照出模糊的照片，通过增加陀螺仪和数据转换技术用于补偿照相机的“颤动”。 %26;#8226; 音频处理：无论是处理家庭影院应用中的杜比5.1通道环绕立体声，还是高端汽车系统中的12通道音频，当今的音频信号链日益数字化。但是，实际上，信号链仅仅是名义上“全数字”而已，因为大量的多通道音频对模拟技术提出了新的性能要求。例如，多通道数字音频结构中存在固有的数字信号处理难题，需要设计工程师采用多个高性能模拟功率放大器来驱动扬声器和能够转换模拟音频信号的音频编解码器，才能够不牺牲，或者说“放弃”DSP的性能。 %26;#8226; 另外在许多应用中，将多通道音频引入到越来越小的系统中，这就需要能够以高效率工作的低功耗和低成本的模拟IC。即使大批量的消费类音频系统也需要一流的音频转换器以便保证数字处理器达到最高性能所需的高性能和精度性。 %26;#8226; 蜂窝手机：随着蜂窝基础设施从2 G和2.5 G到更高性能的2.75 G和3 G业务升级，推动了新一代智能更高、功能更丰富的手机的发展。语音、视频和数据的快速会聚允许设计工程师在下一代手机中增加这样一些令人兴奋的功能，例如MP3音乐和广播电视。蜂窝手机市场已经朝着各种方向发展，因为制造商划分其产品系列以便满足不同用户的需求和习惯。但是，这些“数字”蜂窝手机中的功能也正在推动对新的模拟功能的需求。将高分辨率照相机集成到无线手机中的发展趋势要求提高模拟图象处理的性能、图象稳定性、聚焦和伸缩控制——以及支持这些功能所必需的数据转换器和放大器。新的带有易读的彩色显示屏，用户界面更友好的手机需要先进的液晶显示屏（LCD）背光功率器件。而且因为设计工程师将新的语音、视频和数据功能集成到这些平台中并且要管理多达20种不同的稳压电压，所以需要先进的电源管理和电池充电IC来保证照相机的性能提高不会缩短电池的寿命。上述这些需求，再加上实现3 G手机中基本通信引擎所需的先进的多频带、多模式射频（RF）和模拟接口功能涉及到的挑战，将使得无线手机中平均的模拟IC成本会在不久的将来从如今大约8美元上升到15美元以上。 %26;#8226; 医学图象处理：在卫生保健领域，大量数字资源的可用性和从固定的系统向便携式设备的转变正在推动对各种新的高性能模拟IC的需求。例如，在医学图象处理应用中，高速的数字计算允许医生观察高分辨率的CT扫描图象和超声设备图象以便更快更准确地评定重要器官或血管的状况。但是要想巧妙地利用这些新的性能，设计工程师必须通过提高通道密度和改进AFE性能来增强其产品的信号扑获能力。 可变增益放大器（VGA）和模数转换器（ADC）的最新进展增大了动态范围并且提高了图象质量，同时正交（I/Q）解调器和移相器IC提高了多普勒超声波系统的性能。另外，通过将多种功能和多通道集成到一颗单芯片中，这些高性能的模拟器IC有助于设计工程师构建出更小、更便携的系统，因为显著减小了产品的外形尺寸和功耗。现在分析家估计，二维（2-D）和三维（3-D）医学图象处理应用将为模拟IC提供15亿美元的市场。 %26;#8226; 高级电视：在大街上随便问一个人，你都会听到：虽然过去的电视都是模拟的，但是未来的电视将是数字的。虽然高清晰度电视和影院品质音响的出现是因为数字革命，但是新的模拟技术的采用和数字设计的创新一样，也推动了高级电视的发展。即使在数字广播的时代，电视机仍然需要两种接口——数字接口和模拟接口——以支持传统的录像机（VCR）、DVD播放器和便携式摄像机。支持多种接口标准——从标准的模拟接口到新兴的高清晰度多媒体接口（HDMI）——的高集成度的接口IC将被用于满足从模拟或数字输入到先进的平面显示器连接的需求。高性能音频处理器将有助于工程师将模拟声音处理的任务转移到数字领域中。而且新的高集成度的后处理IC可以通过提高补偿薄型平面电视的设计局限而提高音频质量。从上述对高性能模拟IC不断增强的依赖性可以看出，如今一台普通数字电视中采用的模拟IC成本大约为20美元，在今后几年内将增加到每台大约60美元。 ADI公司认识到，控制和管理现实世界中各种现象（例如光、声音、运动、压力和温度）所需要的数据转换技术和前端信号处理技术对于创造一种有价值的终端用户体验来说是非常重要的因素。 这是ADI公司从四十多年的设计和开发模拟信号、数字信号和混合信号技术以及培养深入了解我们客户应用需求的过程中而得到的经验。ADI公司为各种应用提供一流的性能——并且将其转化为最佳的用户体验。ADI公司的创新通过提高集成度、减小封装尺寸、降低功耗，还降低了系统成本。这是满足能使数字设计如此流行的大众市场成本结构的关键。 这条成熟的经验——不断扩展产品种类和开发支持工具使ADI公司的工程师提高最关键之处的性能。ADI公司通过保证为客户的应用提供最合适的IC，能够使工程师将其数字设计的全部潜能带到现实生活中。