利用标准化、可定制的解决方案简化信号链数据采集设计

信号链是众多电子系统不可或缺的组成部分，广泛用于通信、生物医学设备、工业自动化、仪器仪表和传感器以及许多其他应用。系统架构师和硬件设计师在平衡特定要求与缩小封装尺寸、减少设计迭代和加快产品上市速度的需求时，面临着众多物料和技术挑战。这些挑战表明，有必要采用更加标准化、集成化的解决方案，同时这些解决方案仍可高度定制，可满足应用需求。

信号链通常包括数字和模拟元件，如模数转换器 (ADC)、运算放大器、数字隔离器和应用特定元件。工程师和产品设计师在寻求最佳解决方案时，必须在元件选择方面进行多重权衡，包括噪声、功耗、带宽和成本。

许多设计人员会为自动测试设备、航空、机器自动化以及医疗保健、监测、诊断和成像系统等应用设立数据采集信号链。而硬件发展趋势倾向于具备先进的精密数据转换性能和更高的鲁棒性，以满足复杂设计的需要，而这通常会对热量和印刷电路板 (PCB) 密度造成限制。

要实现更高的吞吐量，最大限度地降低系统功耗，以及保护和驱动 ADC 输入，在使用高度集成的客户专用集成电路 (IC) 或成本效益更高的标准分立元件时，可能会产生设计冲突。这两种方法都会增加为终端应用开发高性能、高精度信号链块的研发成本。为客户量身定制的方法通常成本较高，但标准分立器件的性能很可能会在电路的工作温度范围内和使用寿命期间下降。

Analog Devices, Inc. (ADI) 通过系统级封装 (SiP) 技术利用异构集成实现了更高密度、更多功能、更高性能和更长平均故障间隔时间，从而解决了主要的数据采集信号链设计问题。ADI 的精密信号链 μModule ® 解决方案提供的是一种结构紧凑、可定制的集成解决方案，可简化设计、提高性能并节省开发时间。

提高密度而不降低性能

高级精密信号链的一个关键目标是在不对性能产生负面影响的情况下提高信号链的密度，因为设计人员试图在相同的外形尺寸内容纳更多通道，或采用每个通道一个 ADC 的方法。

数据采集信号链通常必须与具有不同共模电压和输入信号的多个传感器连接。常见问题包括电路不平衡或反馈和增益电阻不匹配，这可能导致信噪比 (SNR)、失真、增益误差和输入抑制比不理想。

ADI 的精密信号链 μModule 解决方案将多个模拟和数字元件集成到单个模块中，其中运用了该公司的集成无源元件技术 (iPassives) 以及 ADI 信号调节 IC 和 SiP。iPassives 是 ADI 几年前开发的，旨在克服过去采用分立无源元件单独制造并连接到 PCB 上的局限性和复杂性。这为开发人员提供了一个灵活的设计工具，能够在较短的开发周期内打造出性能一流的强大系统解决方案。

利用 μModule 解决方案，设计人员可以打造出看似单一的设备，但却能提供以前在板级解决方案中需要多个分立元件才能实现的功能。这种方法消除了不匹配现象，使得封装更小。

上市速度更快

系统设计人员可以实现更高的集成度和更快的上市速度，同时确保以合理的价格提高速度性能并降低功耗。通过 μModule 方法，可将完整的解决方案封装在空间效率高的封装内，并优化信号链的性能和可靠性。

ADI 的精密信号链 μModule 解决方案旨在通过组合一流的器件和先进的 2.5D/3D 组装工艺，在更小的外形尺寸内提高密度，同时保持对系统组件的智能、高效管理。将放大、滤波和 ADC 等功能集成到单个模块中，就无需使用单独的组件来制作复杂的数据采集信号链解决方案。这种方法大大降低了电感、电容和电阻等互连寄生。

ADI 精密信号链 μModule 采用的内核经过预先设计、制造、特征化和测试，可显著缩短设计时间。它们还配有预配置信号链和 ADI 支持资源，包括评估板和软件开发工具包。

设计人员可以通过对元件进行智能分区，根据特定应用要求定制信号链的参数和特性。可调增益、带宽、滤波选项和其他可定制功能，造就了一个可应对各种设计挑战的多功能平台。

有了 μModule，系统设计人员不必再为复杂的电路级实现而苦恼，他们可以专注于系统层面设计和功能，从而实现更快速的原型设计和系统验证，并通过更积极地安排从系统定义到零件交付的流程，加快创新应用的上市速度。

在制造过程中将影响性能和良率的无源元件集成到 μModule 器件中，从而降低了二次成本，如装配拾放、系统 PCB 良率损失、现场返回支持和信号链校准。将无源元件集成到 PCB 基底中可减少与温度有关的误差源，同时最大限度地减少 PCB 上分立元件和互连的数量，最终减少了焊点，提高了可靠性。

ADI 的 ADAQ7980（图 1）和 ADAQ7988 μModule 是 16 位 ADC 数据采集系统，在 5 mm x 4 mm LGA 封装中集成了四个信号处理和调节块。这些系统支持各种应用，包括自动测试设备、电池供电式仪器、通信、过程控制和医疗仪器。这些设备集成了最关键的无源元件，消除了与使用逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 的传统信号链相关的许多设计难题。此外，通过兼容的串行外设接口 (SPI)，可在单个三线总线上串联多个设备。该 SiP 中的所有有源元件均由 ADI 设计，具体包括：

• 高精度、低功耗 16 位 SAR ADC
• 低功耗、高带宽、高输入阻抗 ADC 驱动器
• 低功耗稳定基准缓冲器
• 高效的电源管理块

图 1：ADI 的 ADAQ7980 μModule（资料来源：Analog Devices, Inc.）

应用精密信号链 μModule

ADI 的精密信号链数据采集 μModule 产品组合支持不同行业的各种应用，例如：

通信。ADAQ8092 是一款 14 位、105 MSPS 高速双通道数据采集 μModule，适用于收发器、蜂窝基站和网络基础设施等各种解调器和数据采集应用。该器件在单个封装中集成了信号调节、ADC 驱动器、电压基准和 ADC。将射频电路和数字电路分离，可有效减轻噪声敏感型射频电子设备的对应数字电路所产生的电磁干扰。

该器件形成了一个完整的信号链，集成了所有有源元件和 iPassives 元件，封装比同类分立解决方案小六倍。内置电源去耦电容器提高了电源抑制性能。ADAQ8092 采用 3.3 V 至 5 V 模拟和 1.8 V 数字电源供电。

工业自动化。ADAQ7768-1 是一款 24 位精密数据采集 μModule，封装了信号调节、转换和处理块。该器件支持各种输入类型，包括 IEPE 传感器、电阻桥、电压和电流输入，适用于基于状态的监控 (CbM) 应用，这些应用利用传感器来确定趋势、预测故障、计算资产寿命并确保人身安全。

用户可以通过串行外设接口 (SPI) 或简单的硬件引脚绑定方法更改寄存器，从而将 ADAQ7768-1 配置为在两种设备配置方法下运行。七个引脚可配置的增益设置提供了额外的系统动态范围，并改善了输入信号幅度较低时的信号链噪声性能。

汽车测试。ADAQ23878 适用于硬件在环 (HiL) 技术，这是一种数字孪生技术，用于测试复杂的实时系统，如电子控制单元 (ECU)、动力转向系统、悬挂系统、电池管理系统或任何其他车辆子系统。它还可用于自动测试设备和无损声波发射测试等应用。

ADAQ23878 在单个器件中集成了多个信号处理和调节块，包括一个低噪声 FDA、一个稳定的基准缓冲器和一个高速、18 位、15 MSPS SAR ADC。其 9 mm × 9 mm 小封装、0.8 mm 脚距、100 球芯片级封装球栅阵列 (CSP_BGA)，使仪器的外形更加紧凑，同时不影响性能。串行低压差分信号 (LVDS) 数字接口具有单通道或双通道输出模式，允许用户根据每一个应用优化接口数据速率。

结语

数字化转型和自动化正在推动对信号链数据采集解决方案的需求，人们需要这些解决方案针对电气化、汽车、数字健康、仪器仪表、智能工业、能源和可持续发展等高要求应用进行专门优化。ADI 精密信号链 μModule 为设计人员提供了最佳的集成度与灵活性平衡，同时又不影响信号链性能。消除许多分立元件可降低系统重新设计的风险，简化系统物料清单，加快产品上市，并降低开发成本。