长期以来，管线转换器结构一直是高性能、高转换率和高分辨率应用的首选。很多应用都得益于这种管线转换器，如无线基站、自动测试设备、医疗成像和多媒体应用等，此外，它特别适合于高性能且线路板面积有限的应用。
管线转换器可提供100dB的无寄生动态范围(SFDR)、高输入带宽(约数百MHz)，以及高达100MSPS的采样率，因此可满足这些应用的需求。然而，管线转换器一般要求最小采样率为其最大采样率的1/10。例如，80MSPS的高速转换器要求最小采样频率为1~10MSPS。这对电信行业可能不是大问题，因为其采样频率仅在有限的范围内变化。但是，对于需要较大变化范围的自动测试设备来说，这就可能成为一个大问题。
管线转换器的最佳应用
国家半导体公司数据转换系统部的产品营销经理Leonardo Azevedo认为，管线转换器特别适用于那些需要10~14位分辨率、10~200MHz转换速度的低功耗应用。此外，由于管线转换器需要几个时钟周期才能完成一次转换，它仅能用于那些对数据延迟要求不高的应用，比如电子成像、通信和视频等。
国家半导体的ADC12DL06器件是该公司ADC12L066芯片的双重版本，后者在GSM基站应用中十分流行。该类应用通常需要两个通道，每个通道需要两个器件。由于客户的线路板空间限制以及迫于系统成本的压力，该公司将这两个器件集成为一个更为有效的双重器件，从而解决了这些问题。该公司最近又推出据称是业界公认性能最高而功耗最低的ADC08D1000，它适用于数字示波器、自动测试设备、基站和卫星以及通信系统。
模拟器件公司模拟器件高速转换器系列的产品总监Kevin Kattmann表示，虽然管线A/D转换器适于多种应用，但是它们一般要求比SAR A/D转换器更高的转换速度，但较FLASH A/D转换器的要低。此外，管线转换器的分辨率一般比SAR A/D转换器低，但比FLASH A/D转换器的要高。“管线转换器是一种‘奈奎斯特率’A/D转换器，它们在图像处理应用中尤为有用，因为可用其数字化像素流。”Kattmann继续道。
Intersil公司数据转换器产品营销经理Steve Smith对此也表示赞同。该公司所关注的是高速、高分辨率应用市场，其中包括成像、无线通信和视频应用。该公司的最新模拟前端集成了三个8位管线A/D 转换器，采样率从140MSPS到275MSPS。这些模拟前端器件主要针对显示系统应用，可用于数字化来自PC、工作站和视频机顶盒的模拟RGB或 YUV图像信号。
在某些宽带应用中，针对中频采样的快速管线A/D转换器可省去一阶下频转换。频率转换从二阶变为一阶可降低成本、功耗和线路板空间要求，因为这样可省去混频器、频率合成器、滤波器件和驱动器。美信集成产品公司最近推出的A/D转换器MAX1124即是这样一种管线转换器，其性能已达到10位、 250MSPS。另一款MAX12553器件在高中频时具有卓越的动态性能，而且功耗较低。该公司新型14位和12位产品系列可采样高达400MHz的中频，同时以较低的功耗提供优异的动态性能。该系列转换器的高中频采样能力可让用户选择一种可省去一阶下变换的结构，这将节省几个器件，从而可减少线路板空间、降低成本，并简化设计。
凌特公司的设计工程师Atsushi Kawamoto指出：“管线结构专为高分辨率(10至14位)、高速(5MSPS以上)应用而优化。”他认为，管线结构的主要应用包括以下部分：
成像(CCD、CMOS、IR及X射线)——随着图像传感器分辨率的提高，要维持快速帧速率就需要高速A/D转换器。而且获取感应元素的完整动态范围要求 A/D转换器具有很高的分辨率。逐渐转向高清电视(HDTV)广播的全球化趋势以及必要的设备系统更新即是一个最新的例子。对于HDTV广播摄像，OEM 厂商需要低功耗、14位和80 MSPS 的A/D转换器。
无线通信——欠采样结构经常要在高中频对宽带、多载波信号进行采样，因此需要高速和高分辨率A/D转换器。采样率越高，奈奎斯特区域越宽，单个A/D转换器就可对额外的载波进行数字化处理。针对下一代宽带CDMA(WCDMA)无线通信的基站收发器设计即是一个主要的欠采样应用实例。
有线通信——下一代有线通信标准有赖于高速奈奎斯特采样率对宽带输入信号进行数字化。高速奈奎斯特采样的一个主要应用就是兼容有线数据业务接口规范 (DOCSIS)的线缆调制解调器终端系统(CMTS)设计。一个可同时满足北美、欧洲和日本标准的通用设计对A/D转换器的要求是：低功耗、10或12 位，以及170 MSPS。
LTC1750是一种5~V、14位、5/80MSPS A/D转换器，专为无线基站等欠采样应用而设计。该器件可为直接中频数字化应用提供较宽的输入带宽及卓越的动态性能。该器件较宽的带宽和优异的AC性能使其特别适用于无线基站和宽带软件无线电应用。此外，该公司还宣称将在近期内推出一个新的低功耗、高速A/D转换器系列。该系列器件在提供低功耗的同时并不损害AC性能。
CMOS工艺仍是首选
“以现在的工艺水平，我们认为CMOS仍有发展的空间”，德州仪器高速模数转换器部系统工程经理Eduardo Bartolome认为，“然而，我们知道有些非供应方面的限制。我们正试图利用双极工艺来解决这些问题。”美信高速数据转换器产品线业务经理Maher S. Matta则认为，替代方案主要取决于所需性能类型。对于需要较低动态性能(8和10位转换器)的应用，低于1V的CMOS工艺即可实现管线转换器。另一方面，对于要求高动态性能的应用，低于1V的CMOS工艺就很难达到所需的要求。
从模拟电路设计的角度来说，CMOS工艺尺寸的缩小使得更低的功耗和更高的运行速度成为可能，凌特的Kawamoto认为。对于给定的模拟偏流，较短的通道长度可为晶体管提供更高的管间电导系数，这是实现器件性能的关键。晶体管尺寸越小，器件寄生电容就越低。在高速A/D转换器的每一阶管线，精密运算放大器等关键电路的模拟设定速度主要取决于晶体管间的电导系数。因此，在总偏流给定的情况下，缩小的通道长度可获得更高的运行速度。一个额外的好处是，供电电压一般会随着通道长度的缩短而降低。
因此，即便模拟偏流保持不变，总功耗也会降低。通过缩小工艺尺寸，A/D转换器设计者可在给定功耗的前提下提高速度，或者在给定速度的前提下降低功耗。但是，模拟电路工艺尺寸缩小有一个严重的缺陷。随着供应电压的降低，A/D转换器的全输入范围也必须相应减小，以便为运算放大器等模拟电路提供足够的电压空间。由于较小的输入范围会导致较低的信号功率，随着工艺尺寸的缩小，SNR也会降低。
低功耗和高性能设计的一个难题是为了保持足够的信噪比而减少A/D转换器的热噪声。“如果只是设计一个低功耗A/D转换器，而不顾SNR性能，这并非难事，”Kawamoto说。但同时保持低功耗和高性能就绝非易事了。在每一个工艺节点和供电电压，力求获得低功耗和高SNR的最佳平衡以满足用户需要，这对将来A/D转换器的设计将至关重要。“一些替代工艺，比如有些制造商广为采用的互补双极工艺，需要较大的功率，而且难以缩小尺寸。下一代 3.3/2.5/1.8V器件便不再采用这些工艺了。”Kawamoto补充道。
关于管线转换器的性能和低电压，模拟器件公司高速转换器部高级研究员Larry Singer认为有三点需要特别强调。第一，低供电电压仅对那些用在低压系统上的A/ D转换器有意义。作为一个单独的产品，或大型系统的一部分，有很多器件采用高供电电压，因此无需为了管线转换器而缩小CMOS工艺尺寸。对那些确实需要低压A/ D转换器的系统，也有其它方案可供选择。比如，可采用一种工艺选择在高压上构建A/ D转换器。第二，转换技术的发展也在不断更新换代。
例如，背景校准可使那些起初表现为高度非线性但具有典型特征的转换结构随着时间的推移逐渐变得线性化。这些发展足以使管线转换器工作于1 V之下。当然，这些技术的发展依赖于强大的数字处理能力，但低电压CMOS工艺正好可以较低的成本提供这一能力。第三，其它替代方案会应运而生。
尽管如此，随着供电电压的降低，所有模拟电路技术都将遇到保持良好信噪比的挑战，国家半导体的Azevedo指出。“随着电压降至1V以下，CMOS工艺技术相比于双极等其它工艺的优点将变得更加明显。这是因为CMOS晶体管的阈值电压会随供电电压的下降而下降，但双极晶体管的固有阈值电压却不会。”他解释说。
管线转换器性能的主要驱动力量
凌特产品营销经理Todd Nelson认为，未来对A/D转换器的性能要求跟以往的类似。简言之，这包括更快的采样率以支持更大的信号带宽、更高的分辨率和更大的动态范围以应对更加复杂的调制方案，以及更高的输入带宽以符合未来通信标准的频率规划要求。然而，所有这些高性能都伴随着低功耗要求。
在许多终端产品市场，低功耗工作已成为一个普遍的用户要求。最后，低功耗要求将继续驱动着未来高速A/D转换器的发展。“除了仪器等某些应用外，很多应用并不需要纯粹的高性能，”德州仪器的Eduardo Bartolome说。这些应用都有一些其它方面的限制，比如功耗。像超声波设备等市场，成本也是一个限定条件。在低成本应用市场，客户就尽量避开高性能器件。
德州仪器于今年二月份推出的ADS527x系列主要针对超声波市场，这类应用设计需要128个或更多A/D转换器。考虑到这么大量的转换器需求，在线路板空间和功耗规划时必须十分小心，以免影响性能。ADS527x是当前市面上唯一的8通道器件。据该公司称，这一产品系列具有两倍于其最大竞争者的密度，而且可提供更低的功耗，以及类似或更好的性能。
“测试设备的应用是高性能器件的一支巨大驱动力量，”ADI的Kevin Kattmann说。按定义来说，测试设备应该比它所测试的器件具有更好的性能。但ADI的工程师们在实验室里却遭遇到了截然相反的情景，所测试的转换器的性能却比测试设备本身的性能好。此外，便携式系统(主要是消费类电子产品，比如数码相机和数字摄像机等)将继续驱动着功耗不断下降。
无线通信基站现正驱动着信噪比和SFDR的不断提高。然而，带宽(即采样率)并没增加(无线通信的频谱是固定的)。现阶段，最大的驱动力量之一是经济状况。所有的供应商都试图以性能的牺牲来换取成本的降低。这种状况将会持续下去，直到下一轮投资热潮的到来。
美信的Matta认为，管线A/D转换器的驱动力将是那些要求动态性能、高中频采样能力、大带宽、低功耗和高速度的设备应用市场。这些设备市场包括无线通信基站、宽带通信系统、医疗成像、仪器、军事，以及有线网络基础设施等。所有这些系统都要求转换器可以数字化大带宽，并具有很好的动态性能，而且功耗要低。
未来的发展趋势
从表面上看，高速和高分辨率管线转换器的发展趋势将是在维持转换器分辨率的同时降低功耗，但这也可简单地定义为更好的性能。长期以来，性能仅以速度/分辨率来衡量，ADI的Larry Singer表示。但越来越多的性能是以价值来衡量的，尺寸、功耗、易用性、成本、特性和集成度等，都是性能的衡量参数。更快的速度并不认为就是好事，除非高速度可让新的结构或分区增加容量或削减系统成本。这些要求所涉及的不仅仅是转换器。
现在的趋势是考虑系统/应用以及可解决实际问题的性能。是低功耗和低成本，而不是转换速率或动态范围的技术突破在主导着当前的市场。此外，一些额外特性较性能更为重要，比如易用性、小尺寸、多个ADC和串行I/O等。“速度上的突破将早于动态范围的突破，因为没人会使用16位ADC。”Singer表示， “这些突破有可能会在解决并行A/D转换器问题时出现。”
德州仪器的Eduardo Bartolome认为A/D转换器应用于很多不同的市场，因此具有不同的发展趋势。例如，在超声波等多通道应用中，其趋势是更高的集成度、更低的功耗及串行化输出，同时保持分辨率不高于12位，除非14位器件的价格降到颇有竞争力的水平。即便是在同一市场上，比如基站，不同的趋势也会同时出现。虽然现有结构的新标准并没对A/D转换器提出太高的要求，这样可让一些客户避免昂贵的高速器件，但其它客户为降低成本仍期望A/D转换器能承担尽可能多的功能，而且每一分贝的性能都不想放弃。
国家半导体的Leonardo Azevedo认为将来的趋势是低功耗和多个转换器封装在单个芯片内。该公司还认为采用芯片级封装的转换器可减少封装寄生效应、提高热性能以及减小尺寸。采用串行LVDS输出也有助于减少引脚数及简化线路板布局，从而让设计者的工作更轻松一些。
凌特的Todd Nelson认为有些应用将继续要求更快的采样率，以应对下一代设计。大部分应用对管线A/D转换器的分辨率要求仍将是12位至14位，即便下一代设计也不例外。“在速度和性能方面，管线转换器自然还没达到顶点，”美信的Matta说。大多数转换器厂商都相信，不久的将来管线转换器在速度和性能方面仍会有进一步的提高，他们将乘着管线转换器的春风走向未来。
