本文說明 ADI精密訊號鏈μModule解決方案為系統(tǒng)設(shè)計人員提供外型精巧且可彈性客製化整合解決方案，協(xié)助以簡化設(shè)計、提高性能並節(jié)省寶貴的開發(fā)時間。有助於客戶提升優(yōu)勢，使得性能卓越的產(chǎn)品能更快進入市場。
超大規(guī)模整合（VLSI）電路技術(shù)飛速進步，訊號處理此一涉及多方面的學科應(yīng)運而生，並廣泛應(yīng)用於電信、音訊系統(tǒng)、工業(yè)自動化、汽車電子等諸多領(lǐng)域。為了支援這些應(yīng)用，許多人開展大量研究，目的在於設(shè)計出高性能、分立線性、精密的訊號鏈模組。
本文將說明ADI精密訊號鏈μModule解決方案如何透過系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)整合，並透過為系統(tǒng)設(shè)計人員提供精巧、可彈性客製化的整合解決方案以協(xié)助簡化設(shè)計、提高性能並節(jié)省寶貴的開發(fā)時間，滿足相關(guān)市場需求。此種方法為希望利用領(lǐng)先技術(shù)能更快進入市場的客戶帶來了極大的優(yōu)勢。
什麼是精密訊號鏈μModule技術(shù)？
精密訊號鏈μModule為一種系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)，能夠?qū)⒉煌碾娐氛显谝黄穑瑫r保持超高水準性能。ADI精密訊號鏈μModule解決方案目的在透過將先進元件、iPassives技術(shù)和先進的2.5D/3D裝配技術(shù)整合到更小的封裝中，實現(xiàn)更高的密度，同時保持對系統(tǒng)元件的智慧和高效管理（圖一）。
這些μModule元件可作為訊號鏈的可靠建構(gòu)模組，協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計人員以更實惠的方式提高整合水準、加速上市、改善速度性能並降低功耗，無需額外的外部電路偵錯或優(yōu)化。
主要特點
整合的力量
精密訊號鏈μModule解決方案將多個類比和數(shù)位元件整合到單一模組中，彰顯了訊號鏈設(shè)計的明顯進步。這是利用ADI的iPassives 技術(shù)及其卓越的訊號處理IC實現(xiàn)的，其透過SiP技術(shù)封裝整合，可在非常短的開發(fā)週期內(nèi)創(chuàng)建性能和穩(wěn)健性俱佳的μModule 元件 。正如積體電路包含許多電晶體，整合被動元件也可以在非常小的面積內(nèi)包含許多高品質(zhì)的被動元件。
現(xiàn)在，運用單一元件就能實現(xiàn)過去需要電路板才能實現(xiàn)的系統(tǒng)功能。這些模組結(jié)合了放大、濾波和類比數(shù)位轉(zhuǎn)換等功能，無需使用單獨的元件來設(shè)計複雜的訊號鏈。因此，互連寄生效應(yīng)（電感、電容和電阻）明顯降低。這些優(yōu)勢共同造就了功能完備、性能優(yōu)越的開箱即用解決方案。
較短的開發(fā)週期有助於大幅降低成本，此外，該解決方案採用的封裝方式均十分精巧，這種整合方案不僅透過提高佈局的空間效率實現(xiàn)了整體功能、縮小物理尺寸，並且優(yōu)化訊號鏈的性能和可靠性。其中的被動元件是在相同時間和相同條件下製造的，因此元件之間的匹配性能更佳。
該解決方案可將元件選擇、優(yōu)化和佈局從設(shè)計人員轉(zhuǎn)移到元件，進而減少設(shè)計反覆運算。得益於其專業(yè)的矽製程，ADI生產(chǎn)的精密訊號處理系統(tǒng)高度可客製化，並且性能卓越。圖二說明了該解決方案的尺寸較為精巧。此外，該方案並能協(xié)助系統(tǒng)級設(shè)計人員降低總體持有成本及縮短產(chǎn)品上市時間。
釋放性能潛力
精密訊號鏈μModule解決方案目的在克服前端積體電路設(shè)計和製造技術(shù)的限制，實現(xiàn)優(yōu)越的性能，以滿足快速發(fā)展的電子產(chǎn)品客戶需求3 。透過精選元件、採用精密的類比設(shè)計技術(shù)和先進的佈局優(yōu)化方案，這些模組可確保高訊號完整性、低雜訊和準確的訊號處理。無論是擷取感測器資料、放大訊號、或是在類比域和數(shù)位域之間進行轉(zhuǎn)換，精密訊號鏈μModule解決方案都能以卓越的品質(zhì)充分發(fā)揮訊號處理的全部潛力。
ADI iPassives技術(shù)可確保同類的機械環(huán)境。為了實現(xiàn)這一點，佈線電阻和電感等互連寄生參數(shù)保持在較低水準，而存在的少數(shù)寄生參數(shù)具備較高的可預(yù)測性和可靠計算。圖三顯ADAQ4003在不同增益和不同輸入頻率下的卓越性能。
| 圖三 : ADAQ4003的動態(tài)範圍和不同輸入頻率下的SNR與過取樣速率（OSR）的關(guān)係。 |
|
客製化和彈性
在確保高整合度的同時，精密訊號鏈μModule解決方案並為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了訊號鏈設(shè)計的彈性。該解決方案高度可配置，使用者可根據(jù)特定應(yīng)用需求對所有元件進行智慧劃分，進而自行設(shè)定訊號鏈的參數(shù)和特性，如圖四所示。憑藉可調(diào)增益、頻寬、濾波選項和其他可客製特性，這些解決方案提供了一個能夠因應(yīng)各種設(shè)計挑戰(zhàn)的多功能平臺。
降低整體持有成本
在系統(tǒng)的整個生命週期中，會產(chǎn)生許多與系統(tǒng)支援相關(guān)的二次成本1 。由於分立式元件的固有特性，在電路的整個工作溫度範圍和生命週期內(nèi)，其性能不可避免地會發(fā)生退化。在採用精密訊號鏈μModule解決方案建構(gòu)的系統(tǒng)中，影響性能和製造良率的被動元件已整合到μModule元件中，因此其二次成本較低。圖五說明了用精密訊號鏈μModule解決方案取代分立訊號鏈可以降低二次成本。
訊號鏈μModule產(chǎn)品反映的限值涵蓋了整個訊號鏈性能，確保製造過程的一致性和高良率，有助於減少生產(chǎn)線中出現(xiàn)良率問題的可能性，降低技術(shù)支援成本，並更大幅提升製造產(chǎn)量。
此外，由於被動元件是每個電子子系統(tǒng)不可或缺的一部分5 ，因此將其整合到襯底將會為性能改善帶來可能。此種整合可以減少與溫度相關(guān)的誤差源。不僅如此，並使得製造過程中無需對訊號鏈進行耗時費力且成本高昂的溫度校準（圖六）。透過儘量減少PCB上的分立元件數(shù)和互連數(shù)，可以減少焊點，進而提高系統(tǒng)可靠性，並降低現(xiàn)場支援成本。
| 圖六 : 使用精密訊號鏈μModule技術(shù)降低擁有權(quán)總成本 |
|
易用性和快速原型製作
精密訊號鏈μModule解決方案可簡化設(shè)計流程並顯著縮短開發(fā)時間。核心經(jīng)過預(yù)先設(shè)計、製造、表徵和測試，因此設(shè)計階段得以縮短。精密訊號鏈μModule解決方案具備預(yù)配置的訊號鏈，以及評估板和軟體發(fā)展套件等豐富的支援資源，設(shè)計人員可以輕鬆獲得良好的性能並簡化設(shè)計過程。
圖七為訊號鏈套件實例，展示精密訊號鏈μModule解決方案的高性能。
| 圖七 : ADSKPMB10-EV-FMCZ訊號鏈套件 |
|
從設(shè)計人員的角度來看，ADI iPassives 技術(shù)是一種非常彈性的設(shè)計工具，可用於產(chǎn)生精密訊號鏈μModule解決方案，並能在非常短的開發(fā)週期內(nèi)設(shè)計出系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)設(shè)計人員可以專注於系統(tǒng)級設(shè)計和功能，而不再需要糾結(jié)於複雜的電路級實現(xiàn)。快速原型製作和系統(tǒng)驗證變得更加容易，從系統(tǒng)定義到零件交付的整個開發(fā)週期更加高效，創(chuàng)新應(yīng)用成為可能。
應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
精密訊號鏈μModule解決方案能廣泛應(yīng)用於許多產(chǎn)業(yè)，涵蓋各個領(lǐng)域，例如：
通訊
大多數(shù)無線通訊產(chǎn)品需要數(shù)位、類比和射頻電子元件協(xié)作，以支援訊號的無縫傳輸和接收。為此，精密訊號鏈μModule解決方案將增強收發(fā)器、基地臺和網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施的性能。這些解決方案將射頻電路與數(shù)位電路分開，進而有效減輕了雜訊敏感射頻電子元件數(shù)位對應(yīng)部分所產(chǎn)生的電磁干擾6。
以ADAQ8092為例（圖八），為一款雙通道系統(tǒng)級封裝整合三個通用訊號處理和處理模組，可支援各種解調(diào)器應(yīng)用和資料獲取應(yīng)用。該元件整合所有主動和iPassives 元件，不僅形成完整的訊號鏈，並且尺寸比分立解決方案縮小了6倍。內(nèi)建電源解耦電容增強電源抑制性能，使其成為可靠的DAQ解決方案。ADAQ8092採用3.3 V至5 V類比電源和1.8 V數(shù)位電源供電。數(shù)位輸出可以是CMOS、雙倍數(shù)據(jù)速率CMOS或雙倍數(shù)據(jù)速率LVDS。
工業(yè)自動化
就工業(yè)應(yīng)用而言，最近的半導(dǎo)體技術(shù)進步主要推動了三種創(chuàng)新趨勢：功率密度和能效、數(shù)位功率控制的普及以及安全性7 。精密訊號鏈μModule解決方案為工業(yè)自動化系統(tǒng)提供精密訊號處理能力，確保實現(xiàn)準確的測量、控制和驅(qū)動。
工業(yè)通訊網(wǎng)路使得機器和控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)即時通訊，進而推動製造場景的智慧化和安全化發(fā)展。精密訊號鏈μModule解決方案可以為數(shù)位控制系統(tǒng)的開發(fā)和新穎的連接解決方案提供支援，進而能夠時刻保障人身安全7。
系統(tǒng)安全對於確保人身安全和保護環(huán)境非常重要7。近年來，半導(dǎo)體技術(shù)的新製程方案取得了重大進展，安全監(jiān)控系統(tǒng)可以同時兼?zhèn)淞己玫耐ㄓ嵥俣取⒐摹⒊叽绾涂煽啃缘忍匦浴＞苡嵦栨湨蘉odule解決方案透過整合方法，實現(xiàn)尺寸精巧、功耗低、可靠性高和通訊速度快等優(yōu)勢。
工業(yè)自動化系統(tǒng)從多個感測器節(jié)點收集資料，並將資料傳輸?shù)街醒霠顟B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行資料分析。狀態(tài)監(jiān)測（CbM）是一種預(yù)防性維護策略，使用了各種類型的感測器持續(xù)監(jiān)測資產(chǎn)的狀況。CbM可用於建立趨勢、預(yù)測故障、計算資產(chǎn)的使用壽命，以及提高製造工廠的安全性8。
對於CbM應(yīng)用，ADAQ7768-1 支援多種輸入類型，包括IEPE感測器、電阻橋、電壓和電流輸入，如圖九所示。ADAQ7768-1並支援兩種元件配置方法。用戶可以選擇透過SPI更改暫存器，或者透過簡單的硬體接腳綁定方法，將元件配置為在各種預(yù)定義模式下運行。
| 圖九 : 每通道隔離DAQ系統(tǒng)的典型應(yīng)用示意圖 |
|
汽車測試解決方案
經(jīng)優(yōu)化的創(chuàng)新型精密訊號鏈μModule解決方案提供穩(wěn)健的互連和機械支援、高可靠性、結(jié)構(gòu)精巧且高性價比的產(chǎn)品，有助於滿足汽車產(chǎn)業(yè)的需求。這些解決方案適用於資訊娛樂系統(tǒng)、動力傳動控制、先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等領(lǐng)域，可以增強安全性、舒適性並優(yōu)化車輛性能。
技術(shù)進步導(dǎo)致了複雜性提升，因此需要新的模擬和驗證方法。為了避免難以進行的模擬作業(yè)，我們可以使用數(shù)位分身技術(shù)。數(shù)位分身是實際物理系統(tǒng)的虛擬表示。此種方法可協(xié)助降低成本，加快開發(fā)週期，或?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的優(yōu)化。
例如汽車市場中的HIL（hardware-in-the-loop）技術(shù)，這是一種數(shù)位分身技術(shù)，用於測試複雜的即時系統(tǒng)，例如電子控制單元（ECU）、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)或任何其他車輛子系統(tǒng)。ADI豐富的訊號處理、資料擷取、訊號產(chǎn)生和隔離產(chǎn)品系列為HIL模擬器提供了優(yōu)化的解決方案。
具體而言，ADAQ23878 具有訊號縮放功能，其在單一元件中整合多個通用訊號處理和調(diào)理模組，包括低雜訊、全差分ADC驅(qū)動器（FDA）、穩(wěn)定的基準電壓緩衝器以及高速、18位元、15 MSPS逐次逼近暫存器（SAR） ADC，進而大幅減少終端系統(tǒng)元件數(shù)量1。
結(jié)論
在IC技術(shù)領(lǐng)域，越來越多企業(yè)正在利用SiP技術(shù)的異質(zhì)整合來簡化開發(fā)流程。精密訊號鏈μModule解決方案為系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了全新的訊號鏈設(shè)計方法。該解決方案兼具高整合度、高性能、高彈性和高可用性等優(yōu)勢，同時保持卓越的訊號處理能力。
隨著技術(shù)的不斷進步，精密訊號鏈μModule解決方案將在各個產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，並為電子系統(tǒng)的發(fā)展作出貢獻。
（本文作者為ADI產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理Lloben Paculanan 及產(chǎn)品應(yīng)用工程師 Regine Garcia ）
