【導讀】在當前幾乎所有以數字為中心的系統中，模擬IC仍然是一個(gè)關(guān)鍵組件。通常來(lái)講，模擬IC市場(chǎng)的增長(cháng)/下降速度比整個(gè)IC市場(chǎng)的增長(cháng)/下降速度要慢，但2021年的市場(chǎng)情況恰好相反。
今年6月份，半導體行業(yè)發(fā)布了兩條引人關(guān)注的消息：
一是IC Insights在其5月份發(fā)布的（2022 McClean Report）Q2的更新中提到，2021年，Taxes Instruments（TI）憑借141億美元的模擬銷(xiāo)售額和19%的市場(chǎng)份額，繼續保持其作為全球領(lǐng)先模擬IC供應商的穩固地位；二是今年下半年全球模擬芯片供貨緊張的問(wèn)題將出現轉機，原因是TI表示到第三季度公司芯片產(chǎn)能緊缺情況將得到緩解。
為此，行業(yè)人士將其解讀為：若下半年TI的產(chǎn)能得到提升，則整個(gè)模擬芯片行業(yè)的供貨都將得到緩解，芯片價(jià)格也將下跌。
在當前幾乎所有以數字為中心的系統中，模擬IC仍然是一個(gè)關(guān)鍵組件。通常來(lái)講，模擬IC市場(chǎng)的增長(cháng)/下降速度比整個(gè)IC市場(chǎng)的增長(cháng)/下降速度要慢，但2021年的市場(chǎng)情況恰好相反。
IC Insights在其（2022 McClean Report）Q1報告中指出，2020年爆發(fā)的新冠病毒對全球經(jīng)濟帶來(lái)了巨大沖擊，然而，2021年的模擬IC市場(chǎng)卻出現了前所未有的30%激增，與之對應的是整個(gè)IC市場(chǎng)的增幅為26%。預計2022年模擬IC將再次實(shí)現兩位數的市場(chǎng)增長(cháng)，增幅達到12%，總銷(xiāo)售額約為832億美元，出貨量將增長(cháng)11%，達到2,387億只（圖1）。
圖1：模擬市場(chǎng)銷(xiāo)售情況及2022年預測
（圖源：IC Insights）
因突出的增長(cháng)力度和廣度，去年的模擬IC市場(chǎng)有可能成為一個(gè)值得銘記的市場(chǎng)。IC Insights的數據顯示，2021年整個(gè)模擬市場(chǎng)的銷(xiāo)售額創(chuàng )下了741億美元的歷史新高。其中，全球前十大模擬產(chǎn)品供應商占去了銷(xiāo)售額的68%。強勁的需求合并供應鏈中斷問(wèn)題，致使去年模擬IC的平均售價(jià)（ASP）上漲了6%。在此之前，模擬產(chǎn)品ASP增長(cháng)的年頭要回溯到17年前的2004年。2022年，IC Insights跟蹤的每個(gè)主要通用模擬和特定應用模擬市場(chǎng)類(lèi)別預計都會(huì )出現銷(xiāo)售增長(cháng)，比如細分市場(chǎng)的放大器和比較器約增長(cháng)7%，汽車(chē)特定應用模擬IC的增長(cháng)將高達17%。
模擬技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)
在很多人的印象中，如今的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）大部分創(chuàng )新都集中在數字技術(shù)上。從盡人皆知的云計算，到近年來(lái)炙手可熱邊緣智能，這其中數字技術(shù)的推動(dòng)作用大家有目共睹。不過(guò)，在討論中也許我們都忽略了這樣一個(gè)事實(shí)，即物聯(lián)網(wǎng)的邊緣實(shí)際上仍然是模擬的，系統必須借助光、壓力、溫度、位置等檢測方案才能獲取關(guān)鍵數據。換句話(huà)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是對模擬源生成的數據進(jìn)行一系列智能處理后所采取的行動(dòng)，即：模擬部件 + 數字連接及處理 = 有效的物聯(lián)網(wǎng)部署。
由于模擬技術(shù)位于網(wǎng)絡(luò )的最邊緣，模擬層的質(zhì)量最終決定了系統中其他一切的質(zhì)量。有噪聲的模擬前端會(huì )導致數字信息失真，對整個(gè)系統產(chǎn)生重大影響。只有把模擬部分做好，數字應用才會(huì )更好。此外，對于控制流程的物聯(lián)網(wǎng)應用程序，數字信息也必須在邊緣準確地轉換回模擬信號。盡管設計工程師普遍認為，為支持物聯(lián)網(wǎng)而開(kāi)發(fā)的大多數新產(chǎn)品都是在數字領(lǐng)域，但在未來(lái)的許多年里，模擬技術(shù)仍將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
信號鏈是模擬技術(shù)的基礎，其目的是在實(shí)時(shí)信息分析的基礎上收集和處理數據。通常，模擬信號鏈產(chǎn)品是指擁有對模擬信號進(jìn)行收發(fā)、轉換、放大、過(guò)濾等處理能力的集成電路。按照功能劃分，模擬信號鏈芯片可以分為線(xiàn)性產(chǎn)品、轉換器產(chǎn)品、接口產(chǎn)品、時(shí)鐘和定時(shí)產(chǎn)品等。其中，線(xiàn)性產(chǎn)品主要包括放大器和比較器，轉換器指的是模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）等。
模擬信號鏈產(chǎn)品的設計考慮
在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感信號與無(wú)限變化的物理參數有關(guān)，比如溫度、光線(xiàn)、壓力、接近度、速度和觸摸，以及流體和液體（包括煙霧、氣體等）等。傳感器輸出的都是幅值較小的電壓或電流信號，很難直接轉換為數字信號，轉換之前必須先要進(jìn)行信號調理。這里的信號調理技術(shù)實(shí)際上就是將傳感器輸出的模擬信號在經(jīng)過(guò)放大、濾波、線(xiàn)性化補償、隔離、保護等措施后，使其適合模/數轉換器（ADC）的輸入。采用關(guān)鍵的信號調理技術(shù)可以將數據采集系統的總體性能和精度提高10倍。
圖2為典型的IoT系統工作框圖。如圖所示，信號鏈從感知模擬世界的傳感器開(kāi)始，接下來(lái)是信號放大器、數據轉換器、接口以及時(shí)鐘和定時(shí)電路等。一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備的成功運行在很大程度上取決于這些器件的參數選擇。接下來(lái)我們就聊一聊物聯(lián)網(wǎng)設備中放大器和數據轉換器這兩大關(guān)鍵器件的選擇。
圖2：IoT系統工作框圖，其中紅色部分為所涉及的模擬信號鏈產(chǎn)品（圖源：TI）
運算放大器的選擇
前文已經(jīng)提到，在收集壓力、溫度、振動(dòng)和光照等信息，并將其將轉移到數字域之前，確保信號的準確性非常重要。為了獲得最佳的信噪比（SNR），我們需要設計一個(gè)低噪聲模擬前端和一個(gè)能夠以高精度捕獲傳感器信號的ADC。雖然現在器件的集成度越來(lái)越高，但有時(shí)為了讓設計具有更多的可控性和靈活性，工程師們仍然使用單獨的運算放大器而不是集成的模擬前端。目前，市場(chǎng)上主要的運算放大器IC供應商有ADI、TI、STMicroelectronics（ST）、ROHM、Microchip、Renesas和NXP等，他們向市場(chǎng)上提供了數以萬(wàn)計的產(chǎn)品供設計師選擇。
在尋找最佳運算放大器時(shí)，設計師一定要充分考慮放大器是否會(huì )降低ADC或DAC的性能，同時(shí)還需要考慮信號范圍、增益、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負載以及電源電壓。以下是市場(chǎng)上幾款性?xún)r(jià)比較高的運算放大器。
ST TSV772運算放大器
ST的TSV772運算放大器是一種雙運放，屬于公司高性能5V運放系列，可在2V低電壓下工作，具有軌到軌輸入和軌到軌輸出，增益帶寬積（GBW）20MHz，單位增益穩定，壓擺率13V/μs，輸入電壓噪聲7nV/rtHz，4kV ESD防護能力（HBM），是一款強大的全能型產(chǎn)品。TSV772的特點(diǎn)是輸出電容為47pF，簡(jiǎn)化了作為A/D轉換器輸入緩沖器的使用。該器件甚至可以在電池深度放電的情況下運行，推薦應用包括煙霧探測器、太陽(yáng)能發(fā)電機、電信基礎設施設備和計算機服務(wù)器等。
圖3：TSV772運算放大器（圖源：貿澤電子）
ADI ADA4077-2雙通道放大器
ADI公司的ADA4077-2雙通道放大器是一種高精度運算放大器，設計用于過(guò)程控制、化學(xué)和環(huán)境監測、電機控制等。在1kHz時(shí)ADA4077-2的典型帶寬為3.9MHz，電壓噪聲為7nV/rtHz。在25℃時(shí)，標稱(chēng)電源電壓為±15Vdc時(shí)的典型功耗僅為400μA。該器件有兩個(gè)等級可供偏置和熱漂移使用，為設計工程師提供了滿(mǎn)足預算和封裝要求的靈活性。ADA4077-2被認為是為過(guò)程控制輸入模塊等應用設計傳感器接口的理想前端放大器。
圖4：TSV772運算放大器（圖源：貿澤電子）
TI OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器
TI公司的OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器是低功耗、單電源應用的理想選擇，具有低噪聲（7nV/rtHz）和高速運算特性，非常適用于驅動(dòng)采樣ADC，還可用于信號調理和傳感器放大等應用場(chǎng)合。該系列TI運算放大器采用了零交越失真的線(xiàn)性輸入級設計，在整個(gè)輸入范圍內具有出色的共模抑制比（CMRR），典型值為114dB。其輸入共模范圍在正負電源軌上擴展了100mV。輸出電壓的軌內典型擺幅小于10mV。OPAx320/OPAx320-Q1的電源電壓范圍較寬，為1.8V至5.5V，在整個(gè)供電范圍內具有出色的電源抑制比（106dB）。
圖5：OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器
（圖源：貿澤電子）
如果你打算尋找一個(gè)小型運算放大器。TI的TLV9061為單5.5V，具有軌對軌輸入和輸出擺動(dòng)功能。該器件價(jià)格不高，尺寸小巧，專(zhuān)門(mén)為低壓操作（1.8V至5.5V）設計，性能規格類(lèi)似于OPAx316和TLVx316設備。其應用包括：電動(dòng)自行車(chē)、煙霧探測器、暖通空調（HVAC）、電機控制、可穿戴設備、傳感器信號調節、條形碼掃描儀等。
A/D轉換器的選擇
與一些數字電路相比，設計混合信號和模擬信號會(huì )帶來(lái)更多的復雜性。A/D轉換器的目的是對輸入進(jìn)行量化，這意味著(zhù)轉換器會(huì )引入少量誤差。A/D轉換器的總體性能實(shí)際上是一系列參數（如熱噪聲、抖動(dòng)和量化噪聲）的體現。目前市場(chǎng)上有三種最流行的ADC架構，分別是逐次逼近（SAR）ADC、∑-Δ ADC和Pipeline ADC，相應的產(chǎn)品種類(lèi)多達數千個(gè)。要想為特定應用選擇合適的ADC似乎是一項艱巨的任務(wù)。在IoT設備中，很大一部分方案可以由逐次逼近（SAR）ADC和∑-Δ ADC來(lái)完成。
圖6：不同的ADC架構所對應的應用、分辨率以及采樣率（圖源：ADI）
ADI AD7983模數轉換器
ADI的AD7983模數轉換器是一款16bit、逐次逼近（SAR）ADC，采用單電源供電。它內置一個(gè)低功耗、高速、16位采樣ADC和一個(gè)多功能串行接口端口。在CNV上升沿，該器件對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進(jìn)行采樣，范圍從0V至REF?；鶞孰妷海≧EF）由外部提供，并且可以獨立于電源電壓（VDD）。功耗和吞吐速率呈線(xiàn)性變化關(guān)系。SPI兼容串行接口還能夠利用SDI輸入，將幾個(gè)ADC以菊花鏈形式連接到一條三線(xiàn)式總線(xiàn)上，并提供可選的繁忙指示。非常適合電池供電設備、數據采集等應用。
圖7：AD7983模數轉換器（圖源：貿澤電子）
TI ADS1278模數轉換器
TI的ADS1278模數轉換器是一款適和寬帶寬應用的24位、144kSPS 8通道同步采樣Δ-ΣADC，它的內部集成有多個(gè)獨立的高階斬波穩定調制器和FIR數字濾波器，可實(shí)現8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式。同時(shí)，ADS1278具有優(yōu)良的AC和DC特性，采樣率最高可以達128Ks／s，62kHz帶寬時(shí)信噪比可達111dB，失調漂移為0.8μV／℃。數據輸出可選幀同步或SPI串行接口，每個(gè)接口均支持菊花鏈連接，可應用于要求嚴格的多通道信號采集系統，如振動(dòng)分析、醫療監控、動(dòng)態(tài)應變測量設備等。
圖8：ADS1278模數轉換器（圖源：貿澤電子）
為了節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，設計師還可以選擇使用TI提供的ADS1278EVM-PDK評估模塊，這是一套完整的評估/演示套件，它將ADS1278EVM與用作主板的基于DSP的MMB0板組合在一起。該套件包括主板和ADCPro評估軟件，可與運行Microsoft Windows操作系統的個(gè)人電腦配合使用，以實(shí)現對ADS1278器件的完整評估。
本文小結
雖然當前的數字物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，但模擬傳感器在大多數情況下依然僅限于信號增強功能。然而，正是因為模擬信號的準確性要求與物聯(lián)網(wǎng)的應用密切相關(guān)，所以也更加體現了模擬技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性。也許這也是模擬和數字技術(shù)通吃的設計師非常搶手的原因。
傳感器、放大器、數據轉換器，這些都是收集和傳輸數據的器件，它們的存在為物聯(lián)網(wǎng)更廣闊的應用前景提供了動(dòng)力。作為物聯(lián)網(wǎng)的起點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)工程師需要了解，工程上的挑戰是在數字化之前控制信號保真度、放大和濾波，因此，無(wú)論是差分放大器、運算放大器還是其他放大器，設計師必須要掌握放大器的基本原理。
另一方面，雖然物聯(lián)網(wǎng)中的一些數字傳感器集成度已經(jīng)做到非常高，集成的ADC既可以降低開(kāi)發(fā)工作量和成本，又可以減少驅動(dòng)設備所需的功率，但不可否認的是本地模擬通?？梢愿鼫蚀_地表示數據源，單獨的A/D轉換器其作用仍然至關(guān)重要。
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