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利用精密讯号链μModule解决方案简化设计、提高性能
 

【作者: ADI】2024年05月29日 星期三

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本文说明 ADI精密讯号链μModule解决方案为系统设计人员提供外型精巧且可弹性客制化整合解决方案,协助以简化设计、提高性能并节省宝贵的开发时间。有助於客户提升优势,使得性能卓越的产品能更快进入市场。


超大规模整合(VLSI)电路技术飞速进步,讯号处理此一涉及多方面的学科应运而生,并广泛应用於电信、音讯系统、工业自动化、汽车电子等诸多领域。为了支援这些应用,许多人开展大量研究,目的在於设计出高性能、分立线性、精密的讯号链模组。


本文将说明ADI精密讯号链μModule解决方案如何透过系统级封装(SiP)技术实现异构整合,并透过为系统设计人员提供精巧、可弹性客制化的整合解决方案以协助简化设计、提高性能并节省宝贵的开发时间,满足相关市场需求。此种方法为希??利用领先技术能更快进入市场的客户带来了极大的优势。


什麽是精密讯号链μModule技术?

精密讯号链μModule为一种系统级封装(SiP)技术,能够将不同的电路整合在一起,同时保持超高水准性能。ADI精密讯号链μModule解决方案目的在透过将先进元件、iPassives技术和先进的2.5D/3D装配技术整合到更小的封装中,实现更高的密度,同时保持对系统元件的智慧和高效管理(图一)。


这些μModule元件可作为讯号链的可靠建构模组,协助系统设计人员以更实惠的方式提高整合水准、加速上市、改善速度性能并降低功耗,无需额外的外部电路侦错或优化。



图一 : 系统级封装
图一 : 系统级封装

主要特点

整合的力量

精密讯号链μModule解决方案将多个类比和数位元件整合到单一模组中,彰显了讯号链设计的明显进步。这是利用ADI的iPassives 技术及其卓越的讯号处理IC实现的,其透过SiP技术封装整合,可在非常短的开发周期内创建性能和稳健性俱隹的μModule 元件 。正如积体电路包含许多电晶体,整合被动元件也可以在非常小的面积内包含许多高品质的被动元件。


现在,运用单一元件就能实现过去需要电路板才能实现的系统功能。这些模组结合了放大、滤波和类比数位转换等功能,无需使用单独的元件来设计复杂的讯号链。因此,互连寄生效应(电感、电容和电阻)明显降低。这些优势共同造就了功能完备、性能优越的开箱即用解决方案。


较短的开发周期有助於大幅降低成本,此外,该解决方案采用的封装方式均十分精巧,这种整合方案不仅透过提高布局的空间效率实现了整体功能、缩小物理尺寸,并且优化讯号链的性能和可靠性。其中的被动元件是在相同时间和相同条件下制造的,因此元件之间的匹配性能更隹。


该解决方案可将元件选择、优化和布局从设计人员转移到元件,进而减少设计反覆运算。得益於其专业的矽制程,ADI生产的精密讯号处理系统高度可客制化,并且性能卓越。图二说明了该解决方案的尺寸较为精巧。此外,该方案并能协助系统级设计人员降低总体持有成本及缩短产品上市时间。



图二 : 减小解决方案尺寸
图二 : 减小解决方案尺寸

释放性能潜力

精密讯号链μModule解决方案目的在克服前端积体电路设计和制造技术的限制,实现优越的性能,以满足快速发展的电子产品客户需求3 。透过精选元件、采用精密的类比设计技术和先进的布局优化方案,这些模组可确保高讯号完整性、低杂讯和准确的讯号处理。无论是撷取感测器资料、放大讯号、或是在类比域和数位域之间进行转换,精密讯号链μModule解决方案都能以卓越的品质充分发挥讯号处理的全部潜力。


ADI iPassives技术可确保同类的机械环境。为了实现这一点,布线电阻和电感等互连寄生叁数保持在较低水准,而存在的少数寄生叁数具备较高的可预测性和可靠计算。图三显ADAQ4003在不同增益和不同输入频率下的卓越性能。



图三 : ADAQ4003的动态范围和不同输入频率下的SNR与过取样速率(OSR)的关系。
图三 : ADAQ4003的动态范围和不同输入频率下的SNR与过取样速率(OSR)的关系。

客制化和弹性

在确保高整合度的同时,精密讯号链μModule解决方案并为系统设计人员提供了讯号链设计的弹性。该解决方案高度可配置,使用者可根据特定应用需求对所有元件进行智慧划分,进而自行设定讯号链的叁数和特性,如图四所示。凭藉可调增益、频宽、滤波选项和其他可客制特性,这些解决方案提供了一个能够因应各种设计挑战的多功能平台。



图四 : 源表(SMU)简化框图
图四 : 源表(SMU)简化框图

降低整体持有成本

在系统的整个生命周期中,会产生许多与系统支援相关的二次成本1 。由於分立式元件的固有特性,在电路的整个工作温度范围和生命周期内,其性能不可避免地会发生退化。在采用精密讯号链μModule解决方案建构的系统中,影响性能和制造良率的被动元件已整合到μModule元件中,因此其二次成本较低。图五说明了用精密讯号链μModule解决方案取代分立讯号链可以降低二次成本。



图五 : 二次成本
图五 : 二次成本

讯号链μModule产品反映的限值涵盖了整个讯号链性能,确保制造过程的一致性和高良率,有助於减少生产线中出现良率问题的可能性,降低技术支援成本,并更大幅提升制造产量。


此外,由於被动元件是每个电子子系统不可或缺的一部分5 ,因此将其整合到衬底将会为性能改善带来可能。此种整合可以减少与温度相关的误差源。不仅如此,并使得制造过程中无需对讯号链进行耗时费力且成本高昂的温度校准(图六)。透过尽量减少PCB上的分立元件数和互连数,可以减少焊点,进而提高系统可靠性,并降低现场支援成本。



图六 : 使用精密讯号链μModule技术降低拥有权总成本
图六 : 使用精密讯号链μModule技术降低拥有权总成本

易用性和快速原型制作

精密讯号链μModule解决方案可简化设计流程并显着缩短开发时间。核心经过预先设计、制造、表徵和测试,因此设计阶段得以缩短。精密讯号链μModule解决方案具备预配置的讯号链,以及评估板和软体发展套件等丰富的支援资源,设计人员可以轻松获得良好的性能并简化设计过程。


图七为讯号链套件实例,展示精密讯号链μModule解决方案的高性能。



图七 : ADSKPMB10-EV-FMCZ讯号链套件
图七 : ADSKPMB10-EV-FMCZ讯号链套件

从设计人员的角度来看,ADI iPassives 技术是一种非常弹性的设计工具,可用於产生精密讯号链μModule解决方案,并能在非常短的开发周期内设计出系统解决方案。系统设计人员可以专注於系统级设计和功能,而不再需要纠结於复杂的电路级实现。快速原型制作和系统验证变得更加容易,从系统定义到零件交付的整个开发周期更加高效,创新应用成为可能。


应用领域广泛

精密讯号链μModule解决方案能广泛应用於许多产业,涵盖各个领域,例如:


通讯

大多数无线通讯产品需要数位、类比和射频电子元件协作,以支援讯号的无缝传输和接收。为此,精密讯号链μModule解决方案将增强收发器、基地台和网路基础设施的性能。这些解决方案将射频电路与数位电路分开,进而有效减轻了杂讯敏感射频电子元件数位对应部分所产生的电磁干扰6。


以ADAQ8092为例(图八),为一款双通道系统级封装整合三个通用讯号处理和处理模组,可支援各种解调器应用和资料获取应用。该元件整合所有主动和iPassives 元件,不仅形成完整的讯号链,并且尺寸比分立解决方案缩小了6倍。内建电源解耦电容增强电源抑制性能,使其成为可靠的DAQ解决方案。ADAQ8092采用3.3 V至5 V类比电源和1.8 V数位电源供电。数位输出可以是CMOS、双倍数据速率CMOS或双倍数据速率LVDS。



图八 : ADAQ8088框图
图八 : ADAQ8088框图

工业自动化

就工业应用而言,最近的半导体技术进步主要推动了三种创新趋势:功率密度和能效、数位功率控制的普及以及安全性7 。精密讯号链μModule解决方案为工业自动化系统提供精密讯号处理能力,确保实现准确的测量、控制和驱动。


工业通讯网路使得机器和控制系统之间实现即时通讯,进而推动制造场景的智慧化和安全化发展。精密讯号链μModule解决方案可以为数位控制系统的开发和新颖的连接解决方案提供支援,进而能够时刻保障人身安全7。


系统安全对於确保人身安全和保护环境非常重要7。近年来,半导体技术的新制程方案取得了重大进展,安全监控系统可以同时兼备良好的通讯速度、功耗、尺寸和可靠性等特性。精密讯号链μModule解决方案透过整合方法,实现尺寸精巧、功耗低、可靠性高和通讯速度快等优势。


工业自动化系统从多个感测器节点收集资料,并将资料传输到中央状态监测系统进行资料分析。状态监测(CbM)是一种预防性维护策略,使用了各种类型的感测器持续监测资产的状况。CbM可用於建立趋势、预测故障、计算资产的使用寿命,以及提高制造工厂的安全性8。


对於CbM应用,ADAQ7768-1 支援多种输入类型,包括IEPE感测器、电阻桥、电压和电流输入,如图九所示。ADAQ7768-1并支援两种元件配置方法。用户可以选择透过SPI更改暂存器,或者透过简单的硬体接脚绑定方法,将元件配置为在各种预定义模式下运行。



图九 : 每通道隔离DAQ系统的典型应用示意图
图九 : 每通道隔离DAQ系统的典型应用示意图

汽车测试解决方案

经优化的创新型精密讯号链μModule解决方案提供稳健的互连和机械支援、高可靠性、结构精巧且高性价比的产品,有助於满足汽车产业的需求。这些解决方案适用於资讯娱乐系统、动力传动控制、先进驾驶辅助系统(ADAS)等领域,可以增强安全性、舒适性并优化车辆性能。


技术进步导致了复杂性提升,因此需要新的模拟和验证方法。为了避免难以进行的模拟作业,我们可以使用数位分身技术。数位分身是实际物理系统的虚拟表示。此种方法可协助降低成本,加快开发周期,或实现整个系统的优化。


例如汽车市场中的HIL(hardware-in-the-loop)技术,这是一种数位分身技术,用於测试复杂的即时系统,例如电子控制单元(ECU)、动力转向系统、悬吊系统、电池管理系统或任何其他车辆子系统。ADI丰富的讯号处理、资料撷取、讯号产生和隔离产品系列为HIL模拟器提供了优化的解决方案。


具体而言,ADAQ23878 具有讯号缩放功能,其在单一元件中整合多个通用讯号处理和调理模组,包括低杂讯、全差分ADC驱动器(FDA)、稳定的基准电压缓冲器以及高速、18位元、15 MSPS逐次逼近暂存器(SAR) ADC,进而大幅减少终端系统元件数量1。



图十 : EVAL-ADAQ23878 评估板
图十 : EVAL-ADAQ23878 评估板

结论

在IC技术领域,越来越多企业正在利用SiP技术的异质整合来简化开发流程。精密讯号链μModule解决方案为系统设计人员带来了全新的讯号链设计方法。该解决方案兼具高整合度、高性能、高弹性和高可用性等优势,同时保持卓越的讯号处理能力。


随着技术的不断进步,精密讯号链μModule解决方案将在各个产业的创新应用中发挥重要作用,并为电子系统的发展作出贡献。


(本文作者为ADI产品应用经理Lloben Paculanan 及产品应用工程师 Regine Garcia )


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