本文說(shuō)明 ADI精密訊號(hào)鏈μModule解決方案為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高性能並節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間。有助於客戶提升優(yōu)勢(shì)，使得性能卓越的產(chǎn)品能更快進(jìn)入市場(chǎng)。
超大規(guī)模整合（VLSI）電路技術(shù)飛速進(jìn)步，訊號(hào)處理此一涉及多方面的學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，並廣泛應(yīng)用於電信、音訊系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子等諸多領(lǐng)域。為了支援這些應(yīng)用，許多人開(kāi)展大量研究，目的在於設(shè)計(jì)出高性能、分立線性、精密的訊號(hào)鏈模組。
本文將說(shuō)明ADI精密訊號(hào)鏈μModule解決方案如何透過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)整合，並透過(guò)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供精巧、可彈性客製化的整合解決方案以協(xié)助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高性能並節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，滿足相關(guān)市場(chǎng)需求。此種方法為希望利用領(lǐng)先技術(shù)能更快進(jìn)入市場(chǎng)的客戶帶來(lái)了極大的優(yōu)勢(shì)。
什麼是精密訊號(hào)鏈μModule技術(shù)？
精密訊號(hào)鏈μModule為一種系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)，能夠?qū)⒉煌碾娐氛显谝黄穑瑫r(shí)保持超高水準(zhǔn)性能。ADI精密訊號(hào)鏈μModule解決方案目的在透過(guò)將先進(jìn)元件、iPassives技術(shù)和先進(jìn)的2.5D/3D裝配技術(shù)整合到更小的封裝中，實(shí)現(xiàn)更高的密度，同時(shí)保持對(duì)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(hào)鏈的可靠建構(gòu)模組，協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以更實(shí)惠的方式提高整合水準(zhǔn)、加速上市、改善速度性能並降低功耗，無(wú)需額外的外部電路偵錯(cuò)或優(yōu)化。
主要特點(diǎn)
整合的力量
精密訊號(hào)鏈μModule解決方案將多個(gè)類比和數(shù)位元件整合到單一模組中，彰顯了訊號(hào)鏈設(shè)計(jì)的明顯進(jìn)步。這是利用ADI的iPassives 技術(shù)及其卓越的訊號(hào)處理IC實(shí)現(xiàn)的，其透過(guò)SiP技術(shù)封裝整合，可在非常短的開(kāi)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(dòng)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(dòng)元件。
現(xiàn)在，運(yùn)用單一元件就能實(shí)現(xiàn)過(guò)去需要電路板才能實(shí)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(wú)需使用單獨(dú)的元件來(lái)設(shè)計(jì)複雜的訊號(hào)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(shì)共同造就了功能完備、性能優(yōu)越的開(kāi)箱即用解決方案。
較短的開(kāi)發(fā)週期有助於大幅降低成本，此外，該解決方案採(cǎi)用的封裝方式均十分精巧，這種整合方案不僅透過(guò)提高佈局的空間效率實(shí)現(xiàn)了整體功能、縮小物理尺寸，並且優(yōu)化訊號(hào)鏈的性能和可靠性。其中的被動(dòng)元件是在相同時(shí)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(jì)人員轉(zhuǎn)移到元件，進(jìn)而減少設(shè)計(jì)反覆運(yùn)算。得益於其專業(yè)的矽製程，ADI生產(chǎn)的精密訊號(hào)處理系統(tǒng)高度可客製化，並且性能卓越。圖二說(shuō)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(jí)設(shè)計(jì)人員降低總體持有成本及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
釋放性能潛力
精密訊號(hào)鏈μModule解決方案目的在克服前端積體電路設(shè)計(jì)和製造技術(shù)的限制，實(shí)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(guò)精選元件、採(cǎi)用精密的類比設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)的佈局優(yōu)化方案，這些模組可確保高訊號(hào)完整性、低雜訊和準(zhǔn)確的訊號(hào)處理。無(wú)論是擷取感測(cè)器資料、放大訊號(hào)、或是在類比域和數(shù)位域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，精密訊號(hào)鏈μModule解決方案都能以卓越的品質(zhì)充分發(fā)揮訊號(hào)處理的全部潛力。
ADI iPassives技術(shù)可確保同類的機(jī)械環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，佈線電阻和電感等互連寄生參數(shù)保持在較低水準(zhǔn)，而存在的少數(shù)寄生參數(shù)具備較高的可預(yù)測(cè)性和可靠計(jì)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(dòng)態(tài)範(fàn)圍和不同輸入頻率下的SNR與過(guò)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(shí)，精密訊號(hào)鏈μModule解決方案並為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了訊號(hào)鏈設(shè)計(jì)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(duì)所有元件進(jìn)行智慧劃分，進(jìn)而自行設(shè)定訊號(hào)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(xiàng)和其他可客製特性，這些解決方案提供了一個(gè)能夠因應(yīng)各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的多功能平臺(tái)。
降低整體持有成本
在系統(tǒng)的整個(gè)生命週期中，會(huì)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(gè)工作溫度範(fàn)圍和生命週期內(nèi)，其性能不可避免地會(huì)發(fā)生退化。在採(cǎi)用精密訊號(hào)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(dòng)元件已整合到μModule元件中，因此其二次成本較低。圖五說(shuō)明了用精密訊號(hào)鏈μModule解決方案取代分立訊號(hào)鏈可以降低二次成本。
訊號(hào)鏈μModule產(chǎn)品反映的限值涵蓋了整個(gè)訊號(hào)鏈性能，確保製造過(guò)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(wèn)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(dòng)元件是每個(gè)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(huì)為性能改善帶來(lái)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(guò)程中無(wú)需對(duì)訊號(hào)鏈進(jìn)行耗時(shí)費(fèi)力且成本高昂的溫度校準(zhǔn)（圖六）。透過(guò)儘量減少PCB上的分立元件數(shù)和互連數(shù)，可以減少焊點(diǎn)，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性，並降低現(xiàn)場(chǎng)支援成本。
| 圖六 : 使用精密訊號(hào)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(hào)鏈μModule解決方案可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程並顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。核心經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)、製造、表徵和測(cè)試，因此設(shè)計(jì)階段得以縮短。精密訊號(hào)鏈μModule解決方案具備預(yù)配置的訊號(hào)鏈，以及評(píng)估板和軟體發(fā)展套件等豐富的支援資源，設(shè)計(jì)人員可以輕鬆獲得良好的性能並簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。
圖七為訊號(hào)鏈套件實(shí)例，展示精密訊號(hào)鏈μModule解決方案的高性能。
| 圖七 : ADSKPMB10-EV-FMCZ訊號(hào)鏈套件 |
|
從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，ADI iPassives 技術(shù)是一種非常彈性的設(shè)計(jì)工具，可用於產(chǎn)生精密訊號(hào)鏈μModule解決方案，並能在非常短的開(kāi)發(fā)週期內(nèi)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以專注於系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和功能，而不再需要糾結(jié)於複雜的電路級(jí)實(shí)現(xiàn)。快速原型製作和系統(tǒng)驗(yàn)證變得更加容易，從系統(tǒng)定義到零件交付的整個(gè)開(kāi)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(hào)鏈μModule解決方案能廣泛應(yīng)用於許多產(chǎn)業(yè)，涵蓋各個(gè)領(lǐng)域，例如：
通訊
大多數(shù)無(wú)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(hào)的無(wú)縫傳輸和接收。為此，精密訊號(hào)鏈μModule解決方案將增強(qiáng)收發(fā)器、基地臺(tái)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(kāi)，進(jìn)而有效減輕了雜訊敏感射頻電子元件數(shù)位對(duì)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(jí)封裝整合三個(gè)通用訊號(hào)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(dòng)和iPassives 元件，不僅形成完整的訊號(hào)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(qiáng)電源抑制性能，使其成為可靠的DAQ解決方案。ADAQ8092採(cǎi)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(dòng)化
就工業(yè)應(yīng)用而言，最近的半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步主要推動(dòng)了三種創(chuàng)新趨勢(shì)：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(hào)鏈μModule解決方案為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供精密訊號(hào)處理能力，確保實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量、控制和驅(qū)動(dòng)。
工業(yè)通訊網(wǎng)路使得機(jī)器和控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，進(jìn)而推動(dòng)製造場(chǎng)景的智慧化和安全化發(fā)展。精密訊號(hào)鏈μModule解決方案可以為數(shù)位控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和新穎的連接解決方案提供支援，進(jìn)而能夠時(shí)刻保障人身安全7。
系統(tǒng)安全對(duì)於確保人身安全和保護(hù)環(huán)境非常重要7。近年來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)的新製程方案取得了重大進(jìn)展，安全監(jiān)控系統(tǒng)可以同時(shí)兼?zhèn)淞己玫耐ㄓ嵥俣取⒐摹⒊叽绾涂煽啃缘忍匦浴＞苡嵦?hào)鏈μModule解決方案透過(guò)整合方法，實(shí)現(xiàn)尺寸精巧、功耗低、可靠性高和通訊速度快等優(yōu)勢(shì)。
工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)從多個(gè)感測(cè)器節(jié)點(diǎn)收集資料，並將資料傳輸?shù)街醒霠顟B(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行資料分析。狀態(tài)監(jiān)測(cè)（CbM）是一種預(yù)防性維護(hù)策略，使用了各種類型的感測(cè)器持續(xù)監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的狀況。CbM可用於建立趨勢(shì)、預(yù)測(cè)故障、計(jì)算資產(chǎn)的使用壽命，以及提高製造工廠的安全性8。
對(duì)於CbM應(yīng)用，ADAQ7768-1 支援多種輸入類型，包括IEPE感測(cè)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(guò)SPI更改暫存器，或者透過(guò)簡(jiǎn)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(yùn)行。
| 圖九 : 每通道隔離DAQ系統(tǒng)的典型應(yīng)用示意圖 |
|
汽車測(cè)試解決方案
經(jīng)優(yōu)化的創(chuàng)新型精密訊號(hào)鏈μModule解決方案提供穩(wěn)健的互連和機(jī)械支援、高可靠性、結(jié)構(gòu)精巧且高性價(jià)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(lè)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)控制、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等領(lǐng)域，可以增強(qiáng)安全性、舒適性並優(yōu)化車輛性能。
技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致了複雜性提升，因此需要新的模擬和驗(yàn)證方法。為了避免難以進(jìn)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(shí)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(kāi)發(fā)週期，或?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化。
例如汽車市場(chǎng)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(cè)試複雜的即時(shí)系統(tǒng)，例如電子控制單元（ECU）、動(dòng)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(hào)處理、資料擷取、訊號(hào)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(hào)縮放功能，其在單一元件中整合多個(gè)通用訊號(hào)處理和調(diào)理模組，包括低雜訊、全差分ADC驅(qū)動(dòng)器（FDA）、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓緩衝器以及高速、18位元、15 MSPS逐次逼近暫存器（SAR） ADC，進(jìn)而大幅減少終端系統(tǒng)元件數(shù)量1。
| 圖十 : EVAL-ADAQ23878 評(píng)估板 |
|
結(jié)論
在IC技術(shù)領(lǐng)域，越來(lái)越多企業(yè)正在利用SiP技術(shù)的異質(zhì)整合來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。精密訊號(hào)鏈μModule解決方案為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了全新的訊號(hào)鏈設(shè)計(jì)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(shì)，同時(shí)保持卓越的訊號(hào)處理能力。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，精密訊號(hào)鏈μModule解決方案將在各個(gè)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(xiàn)。
（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 ）
