TI精益求精的ADC构筑工业系统核心

从近两年德州仪器(TI)的各种举措不难发现，TI的整体策略是着重往工业、汽车行业发展。那么TI为什么那么重视工业应用呢?从HIS公司2014年第二季度公布的数据来看，2013年全球工业半导体市场达到320亿美元，并预计未来几年该市场将平稳增长，到2018年将达约450亿美元。目前，TI在工业半导体市场约占8%的市场份额，虽然处于领先地位，但是仍然有很大的成长空间。TI的“模拟帝国”是其引以为傲的，也是其在工业半导体大展拳脚的最大筹码。模数转换器作为连接模拟和数字世界的接口，一直是TI重视的产品。近日，TI就针对工业应用推出了两款新的ADC，TI中国区高性能模拟产品业务发展经理宋浩然先生专程向记者介绍了新品，并讲述了TI如何让ADC与其他器件、工具配合服务于复杂的工业应用。

图1 TI中国区高性能模拟产品业务发展经理宋浩然

整个工业行业都在说工业4.0，在这场新的工业革命背后模拟IC是核心。宋经理表示：“工业系统中的每一个应用系统都相对复杂。如图2所示，数据转换器在所有的工业器件选择或者应用中起着非常重要的作用。不同数据转换器产品就会给整个系统的速度、精度、整体功耗等各个方面带来变化。这也是为什么我们重点为大家介绍TI最新开发的ADC3k产品以及ADS8688产品系列。这些产品的问世会对相关领域带来很大的变化。”

图2 工业系统的通用框图

性能功耗比最佳的ADC3k

ADC3k具有业界最低功耗和最佳性能功耗比，在160 MSPS的最快采样速率下，每通道功耗仅为200 mW，比市场同类产品低80 mW，可提供高达30%的功耗性能比。速率在25 MSPS时，功耗可低至44 mW。此外，ADC3k还有独特的性能特性：可选高频脉动及斩波功能不仅可改善无杂散动态范围 (SFDR)，而且还可消除1/f噪声，可帮助设计人员优化器件性能，满足系统需求。这些特性，使其不仅适用于高性能电机控制、医疗影像与便携式测量测试等工业应用，而且也适合软件定义无线电与 MIMO 通信等应用。ADC3k是系列的产品，速度从25 MSPS到160 MSPS，可以负责不同采样率的ADC。它提供双通道或四通道，接口有LVDS和JESD204B两种，因此采样率、通道数变化、接口变化让整个产品系列有32颗产品。

TI模拟产品是全而广的，可以搭配使用也是其优势之一。宋经理介绍到：“TI还专门配合ADC3k，推出了全新放大器THS4541以提升ADC3k的性能。THS4541具有出色的谐波失真性能与超低功耗，可最大限度提高性能。TI在开发这两款产品时就相互考虑着对方，这两个产品在应用中也最好是成对出现。”

精益求精的ADS8688

除了低功耗，系统整体精度往往是做高性能产品的企业最关心的问题。为此，宋经理介绍了TI新推出的一款SAR ADC ADS8688系列，其可实现最高总体系统精度：支持业界最低增益漂移、失调电压及失调漂移，以及最高精度参考，可实现超过99.9%的高精度。

ADS8688系列集成了20款有源器件，能够与无需信号调节的各种传感器类型直接连接。   宋经理补充到：“用昂贵的分离元件也可以实现所需的结果，但非常复杂、昂贵，TI用一颗芯片就保证了最低增益漂移、失调电压漂移以及更高精度和更高性能比。TI把工程师需要校正的工作放在TI测试过程中，把需要人工测试的步骤集成到芯片内部，并完成以前需要人工校验才能完整的功能和性能，我个人认为它是一款划时代的产品。”

除了高精度，其最大的特点就是允许高达±10.24 V的输入范围通过单5 V电源供电。宋经理表示：“工业现场干扰比较大，导致需要的信号也非常大，因此它的输入可以高达10.24 V，这是非常标准的工业信号，范围也很宽。过去要处理±10 V的信号，电源最起码要12 V或15 V，导致电源系统非常复杂。ADS8688只用5 V电源，客户可以完全节省掉正负电源的设计，PCB上不需要±10 V或±12 V的信号。”

重新定义高精度的概念

针对精度问题，宋经理表示：“TI的ADC、DAC产品线在不断重新刷新高精度。其实高精度不仅仅是采样速度越来越快，数据分辨率越来越高，这两者的确是代表着ADC的标尺，但实际还有很多其他的指标来代表ADC的高精度。比如首款电感数字转换器(LDC1000)，它已经让我们感觉到了它的高精度不仅是比特数、位数和速度，它的高精度体现在直接对电感信号的测量，因此要重新定义高精度的概念。如果说你无限地要求高精度、高采样率，其实在我们的设计过程当中不是一件难事，无非就是增加功耗、减小半导体工艺尺寸。但如果只是为了这个指标，而不是做最终的产品，就是徒劳的。最终的产品不仅是要看这两个指标，还有综合性指标，这是TI一直致力去提升的指标，要想其达到非常高的水平是非常难的。”

借着探究精度的这个机会，宋经理也为大家分析了一些人对于嵌入式处理器中集成的转换器的误区：“大家看到越来越多的MCU集成ADC，的确，包括TI的在内的处理器厂商都在这样做，并且集成了比特数和速度越来越高的ADC，它的效果是在分辨率上，分辨率和精度这两个指标经常被混淆，我们常说的16位、14位，这些都是分辨率，也就是ADC可以分辨的最小刻度，而客户关注的是工业指标(千分之一或万分之五)，是精度。精度是从输入到输出，MCU采样，其间所有误差的累计，从最小信号到最大信号，不管输入什么信号，所测试的线路加起来能够达到千分之一，这是精度的概念。当然，并不是ADC的精度越高，系统的精度就越高。即使用24位ADC，如果前端不好，中间电路设计不合理，可能连1/10都达不到。”

以ADS8688为例，其中集成了20款有源器件，经过测试和校验，其最终达到的效果最大值也只有千分之零点五，也就是万分之五，比特数就是11位。ADS8688也是16位的分辨率，但精度是二千分之一。它不仅包含精度的问题，还要把外围的器件加起来，统计所有的误差后而实现的精度，这才是客户所关心，即整个系统达到多少精度。

ADC等模拟器件集成更多的有源器件是一种趋势，宋经理认为这是一把双刃剑：“集成度的提高肯定会带来其他问题，可能它的覆盖率没有原来那么宽了，但它的针对性会更加明显。例如ADS8688在集成了20多个有源器件之后更加适用于PLC应用了。

TI Design技术模式

TI Design是去年开始TI着重向工程师推广的一种“技术模式”，就像商业模式一样，这种模式也有待慢慢地培育，一旦成熟，将给TI带来丰厚的利润。因为工程师将不是买你一款芯片，而是整套参考设计中涉及的IC。

针对ADC3k，TI提供了高性能单端至差分有源接口参考设计TIDA-00294。该参考设计除了ADC3k还包括 THS4541 和 LMK04828 时钟抖动清除器，针对AC及DC耦合单端输入应用进行了优化，可满足电机控制、医疗影像、便携式测量测试以及国防军备的应用需求。针对ADS8688，有两个参考设计：(1)TIPD167，适用于电力自动化的 8 通道多路复用数据采集系统，包含理论、组件选择、仿真、验证和测量性能等，可深入了解采用多路复用 ADC 补偿多相位计量系统的方法，支持±10 V振幅的0.002 036°补偿相位差，典型频率为 50 Hz;(2)TIDA-00164：适用于PLC应用的单电源模拟输入模块设计，其符合 IEC-61000 标准。

目前，TI主要专注于4个重要的工业领域：工厂自动化、楼宇自动化、电机驱动与控制以及名声大噪智能电网。TI数据转换器正在重新定义高精度、推进速度极限，并支持更便捷的设计，努力帮助其工业客户改变设计和产品面貌，迎接工业4.0时代。