模拟前端(AFE)原理及选型指南

模拟前端处理的对象是信号源给出的模拟电视、模拟声音信号，其主要功能包括以下几个方面：   信号放大：当接收到的信号过于微弱，满足不了系统载噪比要求时，在前端要采用低噪声放大器进行放大，以提高载噪比。   频率变换：为了实现传输频道的某种配置，有时也为了避开某种干扰，前端需要对某些频道进行变换。例如，早期的有线电视系统基本上在VHF频段内传输信号，对于个别在UHF频段内播出的节目，可使用频道变换器，将其从UHF频段转换到VHF频段。另外，对于距离电视发射塔较近的地区，由于电视信号很强，用户的电视机会直接感应到强信号，该信号与有线电视前端接收下来的同一电视信号都会进入电视机，但两者存在时间差，将在电视机图像上形成不易消除的重影，因此，也需要将该频道信号转换成另一频道信号。   调制、解调：在接收卫星、微波信号时，需先对其进行解调，恢复视、音频信号，然后再将其调制为选定频道的射频信号；自办节目也需要经过调制后才能进入混合器；另外，一些开路信号也采用解调－调制的变换方式来进行处理。   邻频处理：有线电视系统采用邻频传输可以充分利用频谱资源，在有限的频带范围内尽可能多地传输节目，但同时也会造成邻频干扰问题。因此需要在前端采用各种技术措施来进行邻频处理，最大限度地消除邻频干扰。邻频处理主要包括声表面波滤波、锁相环路（PLL）频率合成技术、图像和伴音分通道处理、A/V比可调技术等，用来完成调制、解调、频率变换、混合等功能。   电平调整与控制：用于各频道的电平进行调整和控制，使频道内和频道间的电平波动不超过要求的范围。   混合：混合的目的是将所有处理后的信号复合在一起，以便用一条线路传输。   AFE选型  

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来满足多种市场需求。

　　一般AFE为通用单元。AFE可以是少数为数字电路、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、连续渐近和流水线架构。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位连续渐近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连续渐近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。该器件集成了两个独立的12位连续渐近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100ksamples/s转换器、50MHzCPU。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位连续渐近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和连续渐近架构)；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为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，D-S转换内含数字滤波。D-S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，D-S转换采用的频率达到几兆赫兹。开始，D-S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D-S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D-S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，连续渐近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连续渐近转换器较为普遍。

　　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D-S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此应用领域的产品。

　　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)。

　　信息家电用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(2048×1536，在85Hz)的高速平板显示或高保直电视。在成像链路的输入端，ADI公司为CCD和CMOS数字成像应用提供AFE定制产品。

　　结语

　　混合信号AFE芯片极其适合各种应用(专用或通用)，用AFE可加快系统设计和产品时间。