【導(dǎo)讀】超大規(guī)模集成(VLSI)電路技術(shù)飛速進(jìn)步，信號(hào)處理這一涉及多方面的學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用于電信、音頻系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子等諸多領(lǐng)域。為了支持這些應(yīng)用，許多人開(kāi)展了大量研究，旨在設(shè)計(jì)出高性能、分立線性、精密的信號(hào)鏈模塊。本文將說(shuō)明ADI公司的精密信號(hào)鏈μModule解決方案如何通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成，并通過(guò)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供緊湊、高度可定制的集成解決方案來(lái)幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高性能并節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，滿足相關(guān)市場(chǎng)需求1。這種方法為希望利用先進(jìn)技術(shù)更快進(jìn)入市場(chǎng)的客戶帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)2。
摘要
ADI公司的精密信號(hào)鏈μModule?解決方案為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供外形緊湊且高度可定制的集成解決方案，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高性能并節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間1。這有助于幫助客戶讓性能出色的產(chǎn)品更快地進(jìn)入市場(chǎng)，從而獲得巨大優(yōu)勢(shì)。
簡(jiǎn)介
超大規(guī)模集成(VLSI)電路技術(shù)飛速進(jìn)步，信號(hào)處理這一涉及多方面的學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用于電信、音頻系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子等諸多領(lǐng)域。為了支持這些應(yīng)用，許多人開(kāi)展了大量研究，旨在設(shè)計(jì)出高性能、分立線性、精密的信號(hào)鏈模塊。本文將說(shuō)明ADI公司的精密信號(hào)鏈μModule解決方案如何通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成，并通過(guò)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供緊湊、高度可定制的集成解決方案來(lái)幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高性能并節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，滿足相關(guān)市場(chǎng)需求1。這種方法為希望利用先進(jìn)技術(shù)更快進(jìn)入市場(chǎng)的客戶帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)2。
什么是精密信號(hào)鏈μModule技術(shù)？
精密信號(hào)鏈μModule是一種系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)，能夠?qū)⒉煌碾娐芳稍谝黄?，同時(shí)保持超高水平性能。ADI精密信號(hào)鏈μModule解決方案旨在通過(guò)將先進(jìn)器件、iPassives?技術(shù)和先進(jìn)的2.5D/3D裝配技術(shù)集成到更小的封裝中，實(shí)現(xiàn)更高的密度，同時(shí)保持對(duì)系統(tǒng)元件的智能和高效管理（參見(jiàn)圖1）1。這些μModule器件可作為信號(hào)鏈的可靠構(gòu)建模塊，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以更實(shí)惠的方式提高集成水平、加速上市、改進(jìn)速度性能并降低功耗，無(wú)需額外的外部電路調(diào)試或優(yōu)化1。
圖1.系統(tǒng)級(jí)封裝
主要特性和優(yōu)點(diǎn)
集成的力量：
精密信號(hào)鏈μModule解決方案將多個(gè)模擬和數(shù)字元件集成到單個(gè)模塊中，彰顯了信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的顯著進(jìn)步。這是利用ADI的iPassives技術(shù)及其出色的信號(hào)調(diào)理IC實(shí)現(xiàn)的，它們通過(guò)SiP技術(shù)封裝在一起，可在非常短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)創(chuàng)建性能和穩(wěn)健性俱佳的μModule器件2。正如集成電路包含許多晶體管，集成無(wú)源器件也可以在非常小的面積內(nèi)包含許多高質(zhì)量的無(wú)源元件。
現(xiàn)在，單個(gè)器件就能實(shí)現(xiàn)過(guò)去需要電路板才能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能。這些模塊結(jié)合了放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，無(wú)需使用單獨(dú)的元件來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜的信號(hào)鏈。因此，互連寄生效應(yīng)（電感、電容和電阻）顯著降低。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)周期有助于大幅降低成本，此外該解決方案采用的封裝方式均十分緊湊2，這種集成方案不僅通過(guò)提高布局的空間效率實(shí)現(xiàn)了整體功能、縮小了物理尺寸，而且還優(yōu)化了信號(hào)鏈的性能和可靠性。其中的無(wú)源元件是在相同時(shí)間和相同條件下制造的，因此元件之間的匹配性能更佳2。
該解決方案可以將元件選擇、優(yōu)化和布局從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件，從而減少了設(shè)計(jì)迭代。得益于其專(zhuān)業(yè)的硅制造工藝，ADI生產(chǎn)的精密信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)高度可定制，并且性能出色2。圖2說(shuō)明了該解決方案的尺寸要小得多。除此之外，該方案還能幫助系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員降低總擁有成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
圖2.減小解決方案尺寸
釋放性能潛力
精密信號(hào)鏈μModule解決方案旨在克服前端集成電路設(shè)計(jì)和制造技術(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。通過(guò)精選元件、采用精密的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)的布局優(yōu)化方案，這些模塊可確保高信號(hào)完整性、低噪聲和準(zhǔn)確的信號(hào)處理。無(wú)論是捕獲傳感器數(shù)據(jù)、放大信號(hào)還是在模擬域和數(shù)字域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，精密信號(hào)鏈μModule解決方案都能以出色的質(zhì)量充分發(fā)揮信號(hào)處理的全部潛力。
ADI的iPassives技術(shù)可確保同類(lèi)的機(jī)械環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，走線電阻和電感等互連寄生參數(shù)保持在較低水平，而存在的少數(shù)寄生參數(shù)具備較高的可預(yù)測(cè)性和可靠性2。圖3顯示了ADAQ4003在不同增益和不同輸入頻率下的出色性能。
圖3.ADAQ4003的動(dòng)態(tài)范圍和不同輸入頻率下的SNR與過(guò)采樣率(OSR)的關(guān)系4。
定制和靈活性
在確保高集成度的同時(shí)，精密信號(hào)鏈μModule解決方案還為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的靈活性。該解決方案高度可配置，用戶可根據(jù)特定應(yīng)用需求對(duì)所有元件進(jìn)行智能劃分，從而自行設(shè)置信號(hào)鏈的參數(shù)和特性，如圖4所示。憑借可調(diào)增益、帶寬、濾波選項(xiàng)和其他可定制特性，這些解決方案提供了一個(gè)能夠應(yīng)對(duì)各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的多功能平臺(tái)。
圖4.源表(SMU)簡(jiǎn)化框圖4。
降低總擁有成本：
在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中，會(huì)產(chǎn)生許多與系統(tǒng)支持相關(guān)的二次成本1。由于分立器件的固有特性，在電路的整個(gè)工作溫度范圍和生命周期內(nèi)，其性能不可避免地會(huì)發(fā)生退化。在采用精密信號(hào)鏈μModule解決方案構(gòu)建的系統(tǒng)中，影響性能和制造良率的無(wú)源元件已集成到μModule器件中，因此其二次成本較低1。圖5說(shuō)明了用精密信號(hào)鏈μModule解決方案代替分立信號(hào)鏈可以降低二次成本。
圖5.二次成本。
信號(hào)鏈μModule數(shù)據(jù)手冊(cè)中反映的限值涵蓋了整個(gè)信號(hào)鏈性能，確保了制造過(guò)程的一致性和高良率，有助于減少生產(chǎn)線中出現(xiàn)良率問(wèn)題的可能性，降低技術(shù)支持成本，并更大限度地提高制造產(chǎn)量1。
此外，由于無(wú)源元件是每個(gè)電子子系統(tǒng)不可或缺的一部分5，因此將其集成到襯底將會(huì)為性能改進(jìn)帶來(lái)可能。這種集成可以減少與溫度相關(guān)的誤差源。不僅如此，這還使得制造過(guò)程中無(wú)需對(duì)信號(hào)鏈進(jìn)行耗時(shí)費(fèi)力且成本高昂的溫度校準(zhǔn)（參見(jiàn)圖6）。通過(guò)盡量減少PCB上的分立元件數(shù)和互連數(shù)，可以減少焊點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)可靠性，并降低現(xiàn)場(chǎng)支持成本1。
圖6.使用精密信號(hào)鏈μModule技術(shù)降低總擁有成本。
易用性和快速原型制作：
精密信號(hào)鏈μModule解決方案可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程并顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。內(nèi)核經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)、制造、表征和測(cè)試，因此設(shè)計(jì)時(shí)間得以縮短。精密信號(hào)鏈μModule解決方案具備預(yù)配置的信號(hào)鏈，以及評(píng)估板和軟件開(kāi)發(fā)套件等豐富的支持資源，設(shè)計(jì)人員可以輕松獲得良好的性能并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。圖7為信號(hào)鏈套件實(shí)例，展示了精密信號(hào)鏈μModule解決方案的強(qiáng)大性能。
圖7.ADSKPMB10-EV-FMCZ信號(hào)鏈套件。
從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，ADI的iPassives技術(shù)是一種非常靈活的設(shè)計(jì)工具，用于產(chǎn)生精密信號(hào)鏈μModule解決方案，能夠在非常短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)解決方案2。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以專(zhuān)注于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和功能，而不再需要糾結(jié)于復(fù)雜的電路級(jí)實(shí)現(xiàn)?？焖僭椭谱骱拖到y(tǒng)驗(yàn)證變得更加容易，從系統(tǒng)定義到部件交付的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期更加高效，創(chuàng)新應(yīng)用成為可能。
為了滿足市場(chǎng)的多樣化需求，ADI公司提供了豐富的集成和專(zhuān)用變換器產(chǎn)品系列，可以為各行各業(yè)提供有力支持。
應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
精密信號(hào)鏈μModule解決方案適用于眾多行業(yè)的廣泛應(yīng)用，涵蓋各個(gè)領(lǐng)域，例如：
通信
大多數(shù)無(wú)線通信產(chǎn)品需要數(shù)字、模擬和射頻電子元件協(xié)作，以支持信號(hào)的無(wú)縫傳輸和接收。為此，精密信號(hào)鏈μModule解決方案將增強(qiáng)收發(fā)器、基站和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的性能。這些解決方案將射頻電路與數(shù)字電路分開(kāi)，從而有效減輕了噪聲敏感射頻電子元件的數(shù)字對(duì)應(yīng)部分所產(chǎn)生的電磁干擾6。
以ADAQ8092為例（圖8），它是一款雙通道系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)，集成了三個(gè)通用信號(hào)處理和調(diào)理模塊，支持各種解調(diào)器應(yīng)用和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。該器件集成了所有有源和iPassives元件，形成完整的信號(hào)鏈，并且尺寸比分立解決方案縮小了6倍。內(nèi)置電源解耦電容增強(qiáng)了電源抑制性能，使其成為可靠的DAQ解決方案。ADAQ8092采用3.3 V至5 V模擬電源和1.8 V數(shù)字電源供電。數(shù)字輸出可以是CMOS、雙倍數(shù)據(jù)速率CMOS或雙倍數(shù)據(jù)速率LVDS。
圖8.ADAQ8088框圖
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)步推動(dòng)了主要推動(dòng)了三種創(chuàng)新趨勢(shì)：功率密度和能效、數(shù)字功率控制的普及以及安全性7。精密信號(hào)鏈μModule解決方案為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供精密信號(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)通信網(wǎng)絡(luò)讓機(jī)器和控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，從而推動(dòng)制造場(chǎng)景的智能化和安全化發(fā)展。精密信號(hào)鏈μModule解決方案可以為數(shù)字控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和新穎的連接解決方案提供支持，從而能夠時(shí)刻保障人身安全7。
系統(tǒng)安全對(duì)于確保人身安全和保護(hù)環(huán)境至關(guān)重要7。近年來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)的新工藝方案取得了重大進(jìn)展，安全監(jiān)控系統(tǒng)可以同時(shí)兼?zhèn)淞己玫耐ㄐ潘俣?、功耗、尺寸和可靠性等特性?/p>
精密信號(hào)鏈μModule解決方案通過(guò)集成方法，實(shí)現(xiàn)了尺寸小巧、功耗低、可靠性高和通信速度快等優(yōu)勢(shì)。
工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)從多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霠顟B(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。狀態(tài)監(jiān)控(CbM)是一種預(yù)防性維護(hù)策略，使用了各種類(lèi)型的傳感器持續(xù)監(jiān)控資產(chǎn)的狀況。CbM可用于建立趨勢(shì)、預(yù)測(cè)故障、計(jì)算資產(chǎn)的使用壽命，以及提高制造工廠的安全性8。
對(duì)于CbM應(yīng)用，ADAQ7768-1支持多種輸入類(lèi)型，包括IEPE傳感器、電阻橋、電壓和電流輸入，如圖9所示。ADAQ7768-1還支持兩種器件配置方法。用戶可以選擇通過(guò)SPI更改寄存器，或者通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件引腳綁定方法，將器件配置為在各種預(yù)定義模式下運(yùn)行1。
圖9.每通道隔離DAQ系統(tǒng)的典型應(yīng)用示意圖
汽車(chē)測(cè)試解決方案
經(jīng)優(yōu)化的創(chuàng)新型精密信號(hào)鏈μModule解決方案提供了穩(wěn)健的互連和機(jī)械支持、高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊且高性價(jià)比的產(chǎn)品，有助于滿足汽車(chē)行業(yè)的需求9。這些解決方案適用于信息娛樂(lè)系統(tǒng)、動(dòng)力總成控制、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)等領(lǐng)域，可以增強(qiáng)安全性、舒適性并優(yōu)化車(chē)輛性能。
技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致了復(fù)雜性提升，因此需要新的仿真和驗(yàn)證方法。為了避免難以實(shí)施的仿真作業(yè)，我們可以使用數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生是實(shí)際物理系統(tǒng)的虛擬表示1。這種方法可以幫助降低成本，加快開(kāi)發(fā)周期，或?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化。
比如汽車(chē)市場(chǎng)中的硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)，這是一種數(shù)字孿生技術(shù)，用于測(cè)試復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，例如電子控制單元(ECU)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)或任何其他車(chē)輛子系統(tǒng)。ADI公司豐富的信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)生成和隔離產(chǎn)品系列為HIL仿真器提供了優(yōu)化的解決方案。具體而言，ADAQ23878具有信號(hào)縮放功能，其在單個(gè)器件中整合了多個(gè)通用信號(hào)處理和調(diào)理模塊，包括低噪聲、全差分ADC驅(qū)動(dòng)器(FDA)、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓緩沖器以及高速、18位、15 MSPS逐次逼近寄存器(SAR) ADC，從而大大減少終端系統(tǒng)元件數(shù)量1。
圖10.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)的異構(gòu)集成來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程10。精密信號(hào)鏈μModule解決方案為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了全新的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)方法。該解決方案兼具高集成度、高性能、高靈活性和高易用性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保持了出色的信號(hào)處理能力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，精密信號(hào)鏈μModule解決方案將在各個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，為電子系統(tǒng)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
致謝
感謝Stuart Servis對(duì)本文的技術(shù)貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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8 “狀態(tài)監(jiān)控”，ADI公司。
9 Yangang Wang、Xiaoping Dai、Guoyou Liu、Daohui Li和Steve Jones，“汽車(chē)系統(tǒng)先進(jìn)功率半導(dǎo)體封裝綜述”，CIPS 2016；第九屆集成電力電子系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議，2016年3月。
10 K.M. Brown，“系統(tǒng)級(jí)封裝：SIP重獲新生”，IEEE 2004年定制集成電路會(huì)議論文集。
（來(lái)源：ADI，作者：Lloben Paculanan，產(chǎn)品應(yīng)用工程師）
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