【導讀】超大規模集成(VLSI)電路技術(shù)飛速進(jìn)步，信號處理這一涉及多方面的學(xué)科應運而生，并廣泛應用于電信、音頻系統、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子等諸多領(lǐng)域。為了支持這些應用，許多人開(kāi)展了大量研究，旨在設計出高性能、分立線(xiàn)性、精密的信號鏈模塊。本文將說(shuō)明ADI公司的精密信號鏈μModule解決方案如何通過(guò)系統級封裝(SiP)技術(shù)實(shí)現異構集成，并通過(guò)為系統設計人員提供緊湊、高度可定制的集成解決方案來(lái)幫助簡(jiǎn)化設計、提高性能并節省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，滿(mǎn)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(hù)帶來(lái)了巨大優(yōu)勢2。
摘要
ADI公司的精密信號鏈μModule?解決方案為系統設計人員提供外形緊湊且高度可定制的集成解決方案，以簡(jiǎn)化設計、提高性能并節省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間1。這有助于幫助客戶(hù)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。
簡(jiǎn)介
超大規模集成(VLSI)電路技術(shù)飛速進(jìn)步，信號處理這一涉及多方面的學(xué)科應運而生，并廣泛應用于電信、音頻系統、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子等諸多領(lǐng)域。為了支持這些應用，許多人開(kāi)展了大量研究，旨在設計出高性能、分立線(xiàn)性、精密的信號鏈模塊。本文將說(shuō)明ADI公司的精密信號鏈μModule解決方案如何通過(guò)系統級封裝(SiP)技術(shù)實(shí)現異構集成，并通過(guò)為系統設計人員提供緊湊、高度可定制的集成解決方案來(lái)幫助簡(jiǎn)化設計、提高性能并節省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，滿(mǎn)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(hù)帶來(lái)了巨大優(yōu)勢2。
什么是精密信號鏈μModule技術(shù)？
精密信號鏈μModule是一種系統級封裝(SiP)技術(shù)，能夠將不同的電路集成在一起，同時(shí)保持超高水平性能。ADI精密信號鏈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)現更高的密度，同時(shí)保持對系統元件的智能和高效管理（參見(jiàn)圖1）1。這些μModule器件可作為信號鏈的可靠構建模塊，幫助系統設計人員以更實(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試或優(yōu)化1。
圖1.系統級封裝
主要特性和優(yōu)點(diǎn)
集成的力量：
精密信號鏈μModule解決方案將多個(gè)模擬和數字元件集成到單個(gè)模塊中，彰顯了信號鏈設計的顯著(zhù)進(jìn)步。這是利用ADI的iPassives技術(shù)及其出色的信號調理IC實(shí)現的，它們通過(guò)SiP技術(shù)封裝在一起，可在非常短的開(kāi)發(fā)周期內創(chuàng )建性能和穩健性俱佳的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包含許多高質(zhì)量的無(wú)源元件。
現在，單個(gè)器件就能實(shí)現過(guò)去需要電路板才能實(shí)現的系統功能。這些模塊結合了放大、濾波和模數轉換等功能，無(wú)需使用單獨的元件來(lái)設計復雜的信號鏈。因此，互連寄生效應（電感、電容和電阻）顯著(zhù)降低。這些優(yōu)勢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)現了整體功能、縮小了物理尺寸，而且還優(yōu)化了信號鏈的性能和可靠性。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)化和布局從設計人員轉移到器件，從而減少了設計迭代。得益于其專(zhuān)業(yè)的硅制造工藝，ADI生產(chǎn)的精密信號調理系統高度可定制，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級設計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
精密信號鏈μModule解決方案旨在克服前端集成電路設計和制造技術(shù)的限制，實(shí)現優(yōu)越的性能，以滿(mǎn)足快速發(fā)展的電子產(chǎn)品客戶(hù)需求3。通過(guò)精選元件、采用精密的模擬設計技術(shù)和先進(jìn)的布局優(yōu)化方案，這些模塊可確保高信號完整性、低噪聲和準確的信號處理。無(wú)論是捕獲傳感器數據、放大信號還是在模擬域和數字域之間進(jìn)行轉換，精密信號鏈μModule解決方案都能以出色的質(zhì)量充分發(fā)揮信號處理的全部潛力。
ADI的iPassives技術(shù)可確保同類(lèi)的機械環(huán)境。為了實(shí)現這一點(diǎn)，走線(xiàn)電阻和電感等互連寄生參數保持在較低水平，而存在的少數寄生參數具備較高的可預測性和可靠性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)，精密信號鏈μModule解決方案還為系統設計人員提供了信號鏈設計的靈活性。該解決方案高度可配置，用戶(hù)可根據特定應用需求對所有元件進(jìn)行智能劃分，從而自行設置信號鏈的參數和特性，如圖4所示。憑借可調增益、帶寬、濾波選項和其他可定制特性，這些解決方案提供了一個(gè)能夠應對各種設計挑戰的多功能平臺。
圖4.源表(SMU)簡(jiǎn)化框圖4。
降低總擁有成本：
在系統的整個(gè)生命周期中，會(huì )產(chǎn)生許多與系統支持相關(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，其性能不可避免地會(huì )發(fā)生退化。在采用精密信號鏈μModule解決方案構建的系統中，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)明了用精密信號鏈μModule解決方案代替分立信號鏈可以降低二次成本。
圖5.二次成本。
信號鏈μModule數據手冊中反映的限值涵蓋了整個(gè)信號鏈性能，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(xiàn)中出現良率問(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)需對信號鏈進(jìn)行耗時(shí)費力且成本高昂的溫度校準（參見(jiàn)圖6）。通過(guò)盡量減少PCB上的分立元件數和互連數，可以減少焊點(diǎn)，從而提高系統可靠性，并降低現場(chǎng)支持成本1。
圖6.使用精密信號鏈μModule技術(shù)降低總擁有成本。
易用性和快速原型制作：
精密信號鏈μModule解決方案可簡(jiǎn)化設計流程并顯著(zhù)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。內核經(jīng)過(guò)預先設計、制造、表征和測試，因此設計時(shí)間得以縮短。精密信號鏈μModule解決方案具備預配置的信號鏈，以及評估板和軟件開(kāi)發(fā)套件等豐富的支持資源，設計人員可以輕松獲得良好的性能并簡(jiǎn)化設計過(guò)程。圖7為信號鏈套件實(shí)例，展示了精密信號鏈μModule解決方案的強大性能。
圖7.ADSKPMB10-EV-FMCZ信號鏈套件。
從設計人員的角度來(lái)看，ADI的iPassives技術(shù)是一種非常靈活的設計工具，用于產(chǎn)生精密信號鏈μModule解決方案，能夠在非常短的開(kāi)發(fā)周期內設計出系統解決方案2。系統設計人員可以專(zhuān)注于系統級設計和功能，而不再需要糾結于復雜的電路級實(shí)現?？焖僭椭谱骱拖到y驗證變得更加容易，從系統定義到部件交付的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期更加高效，創(chuàng )新應用成為可能。
為了滿(mǎn)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。
應用領(lǐng)域廣泛
精密信號鏈μModule解決方案適用于眾多行業(yè)的廣泛應用，涵蓋各個(gè)領(lǐng)域，例如：
通信
大多數無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品需要數字、模擬和射頻電子元件協(xié)作，以支持信號的無(wú)縫傳輸和接收。為此，精密信號鏈μModule解決方案將增強收發(fā)器、基站和網(wǎng)絡(luò )基礎設施的性能。這些解決方案將射頻電路與數字電路分開(kāi)，從而有效減輕了噪聲敏感射頻電子元件的數字對應部分所產(chǎn)生的電磁干擾6。
以ADAQ8092為例（圖8），它是一款雙通道系統級封裝(SIP)，集成了三個(gè)通用信號處理和調理模塊，支持各種解調器應用和數據采集應用。該器件集成了所有有源和iPassives元件，形成完整的信號鏈，并且尺寸比分立解決方案縮小了6倍。內置電源解耦電容增強了電源抑制性能，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數字電源供電。數字輸出可以是CMOS、雙倍數據速率CMOS或雙倍數據速率LVDS。
圖8.ADAQ8088框圖
工業(yè)自動(dòng)化
就工業(yè)應用而言，最近的半導體技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了主要推動(dòng)了三種創(chuàng )新趨勢：功率密度和能效、數字功率控制的普及以及安全性7。精密信號鏈μModule解決方案為工業(yè)自動(dòng)化系統提供精密信號處理能力，確保實(shí)現準確的測量、控制和驅動(dòng)。
工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )讓機器和控制系統之間實(shí)現實(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。精密信號鏈μModule解決方案可以為數字控制系統的開(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。
系統安全對于確保人身安全和保護環(huán)境至關(guān)重要7。近年來(lái)，半導體技術(shù)的新工藝方案取得了重大進(jìn)展，安全監控系統可以同時(shí)兼備良好的通信速度、功耗、尺寸和可靠性等特性。
精密信號鏈μModule解決方案通過(guò)集成方法，實(shí)現了尺寸小巧、功耗低、可靠性高和通信速度快等優(yōu)勢。
工業(yè)自動(dòng)化系統從多個(gè)傳感器節點(diǎn)收集數據，并將數據傳輸到中央狀態(tài)監控系統進(jìn)行數據分析。狀態(tài)監控(CbM)是一種預防性維護策略，使用了各種類(lèi)型的傳感器持續監控資產(chǎn)的狀況。CbM可用于建立趨勢、預測故障、計算資產(chǎn)的使用壽命，以及提高制造工廠(chǎng)的安全性8。
對于CbM應用，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(hù)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定義模式下運行1。
圖9.每通道隔離DAQ系統的典型應用示意圖
汽車(chē)測試解決方案
經(jīng)優(yōu)化的創(chuàng )新型精密信號鏈μModule解決方案提供了穩健的互連和機械支持、高可靠性、結構緊湊且高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，有助于滿(mǎn)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、動(dòng)力總成控制、高級駕駛員輔助系統(ADAS)等領(lǐng)域，可以增強安全性、舒適性并優(yōu)化車(chē)輛性能。
技術(shù)進(jìn)步導致了復雜性提升，因此需要新的仿真和驗證方法。為了避免難以實(shí)施的仿真作業(yè)，我們可以使用數字孿生技術(shù)。數字孿生是實(shí)際物理系統的虛擬表示1。這種方法可以幫助降低成本，加快開(kāi)發(fā)周期，或實(shí)現整個(gè)系統的優(yōu)化。
比如汽車(chē)市場(chǎng)中的硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)，這是一種數字孿生技術(shù)，用于測試復雜的實(shí)時(shí)系統，例如電子控制單元(ECU)、動(dòng)力轉向系統、懸架系統、電池管理系統或任何其他車(chē)輛子系統。ADI公司豐富的信號調理、數據采集、信號生成和隔離產(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具有信號縮放功能，其在單個(gè)器件中整合了多個(gè)通用信號處理和調理模塊，包括低噪聲、全差分ADC驅動(dòng)器(FDA)、穩定的基準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元件數量1。
圖10.EVAL-ADAQ23878評估板。
結論
在IC技術(shù)領(lǐng)域，越來(lái)越多企業(yè)正在利用SiP技術(shù)的異構集成來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程10。精密信號鏈μModule解決方案為系統設計人員帶來(lái)了全新的信號鏈設計方法。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，同時(shí)保持了出色的信號處理能力。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，精密信號鏈μModule解決方案將在各個(gè)行業(yè)的創(chuàng )新應用中發(fā)揮重要作用，為電子系統的發(fā)展做出貢獻。
致謝
感謝Stuart Servis對本文的技術(shù)貢獻。
參考文獻
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8 “狀態(tài)監控”，ADI公司。
9 Yangang Wang、Xiaoping Dai、Guoyou Liu、Daohui Li和Steve Jones，“汽車(chē)系統先進(jìn)功率半導體封裝綜述”，CIPS 2016；第九屆集成電力電子系統國際會(huì )議，2016年3月。
10 K.M. Brown，“系統級封裝：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)品應用工程師）
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