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。如需了解更多信息,，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ADI精密信號(hào)鏈μModule解決方案頁(yè)面,。

　　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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　　2 Mark Murphy和Pat McGuinness,，“使用微型模塊SIP中的集成無(wú)源器件”,，《模擬對(duì)話》，第52卷,，第10期,，2018年10月,。

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　　4 Maithil Pachchigar,，“μModule數(shù)據(jù)采集解決方案可有效應(yīng)對(duì)各種精密應(yīng)用的工程挑戰(zhàn)”,，ADI公司，2020年11月,。

　　5 Michael Scheffler和Gerhard Tr?ster,，“評(píng)估集成無(wú)源器件的成本效益”，歐洲設(shè)計(jì),、自動(dòng)化和測(cè)試會(huì)議論文集,，2000年2月。

　　6 King L. Tai,，“系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）：挑戰(zhàn)與機(jī)遇”,，2000年亞洲和南太平洋設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議論文集，2000年1月,。

　　7 Domenico Arrigo,、Claudio Adragna、Vincenzo Marano,、Rachela Pozzi,、Fulvio Pulicelli和Francesco Pulvirent，“下一個(gè)‘自動(dòng)化時(shí)代’：半導(dǎo)體技術(shù)如何改變工業(yè)系統(tǒng)和應(yīng)用”,，ESSCIRC 2022 - IEEE第48屆歐洲固態(tài)電路會(huì)議（ESSCIRC）,，2022年9月。

　　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。

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