利用精密信號鏈μ Module解決方案簡化設(shè)計、提高性能并節(jié)省寶貴時間

簡介

超大規(guī)模集成(VLSI)電路技術(shù)飛速進步，信號處理這一涉及多方面的學(xué)科應(yīng)運而生，并廣泛應(yīng)用于電信、音頻系統(tǒng)、工業(yè)自動化、汽車電子等諸多領(lǐng)域。為了支持這些應(yīng)用，許多人開展了大量研究，旨在設(shè)計出高性能、分立線性、精密的信號鏈模塊。本文將說明ADI公司的精密信號鏈μModule解決方案如何通過系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)實現(xiàn)異構(gòu)集成，并通過為系統(tǒng)設(shè)計人員提供緊湊、高度可定制的集成解決方案來幫助簡化設(shè)計、提高性能并節(jié)省寶貴的開發(fā)時間，滿足相關(guān)市場需求1。這種方法為希望利用先進技術(shù)更快進入市場的客戶帶來了巨大優(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(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)，能夠?qū)⒉煌碾娐芳稍谝黄?，同時保持超高水平性能。ADI精密信號鏈μModule解決方案旨在通過將先進器件、iPassives^?技術(shù)和先進的2.5D/3D裝配技術(shù)集成到更小的封裝中，實現(xiàn)更高的密度，同時保持對系統(tǒng)元件的智能和高效管理（參見圖1）¹。這些μModule器件可作為信號鏈的可靠構(gòu)建模塊，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員以更實惠的方式提高集成水平、加速上市、改進速度性能并降低功耗，無需額外的外部電路調(diào)試或優(yōu)化¹。

圖1 系統(tǒng)級封裝

主要特性和優(yōu)點

集成的力量：

精密信號鏈μModule解決方案將多個模擬和數(shù)字元件集成到單個模塊中，彰顯了信號鏈設(shè)計的顯著進步。這是利用ADI的iPassives技術(shù)及其出色的信號調(diào)理IC實現(xiàn)的，它們通過SiP技術(shù)封裝在一起，可在非常短的開發(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)量的無源元件。

現(xiàn)在，單個器件就能實現(xiàn)過去需要電路板才能實現(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，無需使用單獨的元件來設(shè)計復(fù)雜的信號鏈。因此，互連寄生效應(yīng)（電感、電容和電阻）顯著降低。這些優(yōu)勢共同造就了功能完備、性能優(yōu)越的開箱即用解決方案。較短的開發(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提高布局的空間效率實現(xiàn)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。其中的無源元件是在相同時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)計人員轉(zhuǎn)移到器件，從而減少了設(shè)計迭代。得益于其專業(yè)的硅制造工藝，ADI生產(chǎn)的精密信號調(diào)理系統(tǒng)高度可定制，并且性能出色²。圖2說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)級設(shè)計人員降低總擁有成本并縮短產(chǎn)品上市時間。

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(shè)計和制造技術(shù)的限制，實現(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。通過精選元件、采用精密的模擬設(shè)計技術(shù)和先進的布局優(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。無論是捕獲傳感器數(shù)據(jù)、放大信號還是在模擬域和數(shù)字域之間進行轉(zhuǎn)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)可確保同類的機械環(huán)境。為了實現(xiàn)這一點，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的動態(tài)范圍和不同輸入頻率下的SNR與過采樣率(OSR)的關(guān)系⁴

定制和靈活性

在確保高集成度的同時，精密信號鏈μModule解決方案還為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了信號鏈設(shè)計的靈活性。該解決方案高度可配置，用戶可根據(jù)特定應(yīng)用需求對所有元件進行智能劃分，從而自行設(shè)置信號鏈的參數(shù)和特性，如圖4所示。憑借可調(diào)增益、帶寬、濾波選項和其他可定制特性，這些解決方案提供了一個能夠應(yīng)對各種設(shè)計挑戰(zhàn)的多功能平臺。

圖4 源表(SMU)簡化框圖⁴

降低總擁有成本

在系統(tǒng)的整個生命周期中，會產(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，在電路的整個工作溫度范圍和生命周期內(nèi)，其性能不可避免地會發(fā)生退化。在采用精密信號鏈μModule解決方案構(gòu)建的系統(tǒng)中，影響性能和制造良率的無源元件已集成到μModule器件中，因此其二次成本較低¹。圖5說明了用精密信號鏈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(shù)據(jù)手冊中反映的限值涵蓋了整個信號鏈性能，確保了制造過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，由于無源元件是每個電子子系統(tǒng)不可或缺的一部分⁵，因此將其集成到襯底將會為性能改進帶來可能。這種集成可以減少與溫度相關(guān)的誤差源。不僅如此，這還使得制造過程中無需對信號鏈進行耗時費力且成本高昂的溫度校準（參見圖6）。通過盡量減少PCB上的分立元件數(shù)和互連數(shù)，可以減少焊點，從而提高系統(tǒng)可靠性，并降低現(xiàn)場支持成本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解決方案可簡化設(shè)計流程并顯著縮短開發(fā)時間。內(nèi)核經(jīng)過預(yù)先設(shè)計、制造、表征和測試，因此設(shè)計時間得以縮短。精密信號鏈μModule解決方案具備預(yù)配置的信號鏈，以及評估板和軟件開發(fā)套件等豐富的支持資源，設(shè)計人員可以輕松獲得良好的性能并簡化設(shè)計過程。圖7為信號鏈套件實例，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(shè)計人員的角度來看，ADI的iPassives技術(shù)是一種非常靈活的設(shè)計工具，用于產(chǎn)生精密信號鏈μModule解決方案，能夠在非常短的開發(fā)周期內(nèi)設(shè)計出系統(tǒng)解決方案²。系統(tǒng)設(shè)計人員可以專注于系統(tǒng)級設(shè)計和功能，而不再需要糾結(jié)于復(fù)雜的電路級實現(xiàn)?？焖僭椭谱骱拖到y(tǒng)驗證變得更加容易，從系統(tǒng)定義到部件交付的整個開發(fā)周期更加高效，創(chuàng)新應(yīng)用成為可能。

為了滿足市場的多樣化需求，ADI公司提供了豐富的集成和專用變換器產(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

精密信號鏈μModule解決方案適用于眾多行業(yè)的廣泛應(yīng)用，涵蓋各個領(lǐng)域，例如：

通信

大多數(shù)無線通信產(chǎn)品需要數(shù)字、模擬和射頻電子元件協(xié)作，以支持信號的無縫傳輸和接收。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(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，從而有效減輕了噪聲敏感射頻電子元件的數(shù)字對應(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)級封裝(SIP)，集成了三個通用信號處理和調(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)自動化

就工業(yè)應(yīng)用而言，最近的半導(dǎo)體技術(shù)進步推動了主要推動了三種創(chuàng)新趨勢：功率密度和能效、數(shù)字功率控制的普及以及安全性⁷。精密信號鏈μModule解決方案為工業(yè)自動化系統(tǒng)提供精密信號處理能力，確保實現(xiàn)準確的測量、控制和驅(qū)動。

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)讓機器和控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)實時通信，從而推動制造場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(shù)字控制系統(tǒng)的開發(fā)和新穎的連接解決方案提供支持，從而能夠時刻保障人身安全7。

系統(tǒng)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，半導(dǎo)體技術(shù)的新工藝方案取得了重大進展，安全監(jiān)控系統(tǒng)可以同時兼?zhèn)淞己玫耐ㄐ潘俣?、功耗、尺寸和可靠性等特性?/p>

精密信號鏈μModule解決方案通過集成方法，實現(xiàn)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)自動化系統(tǒng)從多個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霠顟B(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析。狀態(tài)監(jiān)控(CbM)是一種預(yù)防性維護策略，使用了各種類型的傳感器持續(xù)監(jiān)控資產(chǎn)的狀況。CbM可用于建立趨勢、預(yù)測故障、計算資產(chǎn)的使用壽命，以及提高制造工廠的安全性⁸。

對于CbM應(yīng)用，ADAQ7768-1支持多種輸入類型，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SPI更改寄存器，或者通過簡單的硬件引腳綁定方法，將器件配置為在各種預(yù)定義模式下運行¹。

圖9 每通道隔離DAQ系統(tǒng)的典型應(yīng)用示意圖

汽車測試解決方案

經(jīng)優(yōu)化的創(chuàng)新型精密信號鏈μModule解決方案提供了穩(wěn)健的互連和機械支持、高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊且高性價比的產(chǎn)品，有助于滿足汽車行業(yè)的需求⁹。這些解決方案適用于信息娛樂系統(tǒng)、動力總成控制、高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)等領(lǐng)域，可以增強安全性、舒適性并優(yōu)化車輛性能。

技術(shù)進步導(dǎo)致了復(fù)雜性提升，因此需要新的仿真和驗證方法。為了避免難以實施的仿真作業(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，加快開發(fā)周期，或?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的優(yōu)化。

比如汽車市場中的硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)，這是一種數(shù)字孿生技術(shù)，用于測試復(fù)雜的實時系統(tǒng)，例如電子控制單元(ECU)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)或任何其他車輛子系統(tǒng)。ADI公司豐富的信號調(diào)理、數(shù)據(jù)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，其在單個器件中整合了多個通用信號處理和調(diào)理模塊，包括低噪聲、全差分ADC驅(qū)動器(FDA)、穩(wěn)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(tǒng)元件數(shù)量¹。

圖10 EVAL-ADAQ23878評估板

結(jié)論

在IC技術(shù)領(lǐng)域，越來越多企業(yè)正在利用SiP技術(shù)的異構(gòu)集成來簡化開發(fā)流程¹⁰。精密信號鏈μModule解決方案為系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了全新的信號鏈設(shè)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，同時保持了出色的信號處理能力。隨著技術(shù)的不斷進步，精密信號鏈μModule解決方案將在各個行業(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。

致謝

感謝Stuart Servis對本文的技術(shù)貢獻。

參考文獻

1 “精密信號鏈μModule解決方案”，ADI公司。

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

3 Man-Lung Sham、Y. C. Chen、L. W. Leung、Jyh-Rong Lin和Tom Chung，“系統(tǒng)級封裝(SiP)業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)和機遇”，2006年第七屆國際電子封裝技術(shù)大會，2006年8月。

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

5 Michael Scheffler和Gerhard Tr?ster，“評估集成無源器件的成本效益”，歐洲設(shè)計、自動化和測試會議論文集，2000年2月。

6 King L. Tai，“系統(tǒng)級封裝(SIP)：挑戰(zhàn)與機遇”，2000年亞洲和南太平洋設(shè)計自動化會議論文集，2000年1月。

7 Domenico Arrigo、Claudio Adragna、Vincenzo Marano、Rachela Pozzi、Fulvio Pulicelli和Francesco Pulvirent，“下一個‘自動化時代’：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，“汽車系統(tǒng)先進功率半導(dǎo)體封裝綜述”，CIPS 2016；第九屆集成電力電子系統(tǒng)國際會議，2016年3月。

10 K.M. Brown，“系統(tǒng)級封裝：SIP重獲新生”，IEEE 2004年定制集成電路會議論文集。

關(guān)于作者

Lloben Paculanan是ADI公司的產(chǎn)品應(yīng)用工程師，目前常駐于菲律賓特瑞亞斯將軍市。他于2000年加入ADI公司，先后擔任多個測試硬件開發(fā)和應(yīng)用工程職位，一直從事精密、高速和精密信號鏈μModule開發(fā)工作。他擁有菲律賓澤維爾大學(xué)的工業(yè)工程與技術(shù)學(xué)士學(xué)位，以及奎松大學(xué)計算機工程學(xué)士學(xué)位。

Regine Garcia于2023年加入ADI公司，目前是菲律賓特瑞亞斯將軍市ADI公司精密信號鏈μModule開發(fā)部門的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。她畢業(yè)于菲律賓碧瑤市圣路易斯大學(xué)，獲電子和通信工程學(xué)士學(xué)位。

（本文來源于《EEPW》202407）