集成多路復用輸入ADC解決方案可降低功耗并增加通道密度挑戰(zhàn)

工業(yè)、儀器儀表、光通信和醫(yī)療保健行業(yè)中越來越多的應用使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這導致印刷電路板 （PCB） 密度和熱功耗挑戰(zhàn)增加。這些應用中對提高通道密度的需求推動了對高通道數(shù)、低功耗和緊湊外形集成數(shù)據(jù)采集解決方案的需求。這些應用還需要精確的測量、可靠性、經濟性和便攜性。系統(tǒng)設計人員在性能、熱穩(wěn)定性和PCB密度之間做出權衡，以保持最佳平衡，他們不斷尋求創(chuàng)新方法來應對這些挑戰(zhàn)，同時最大限度地降低總體物料清單（BOM）成本。本文重點介紹多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計考慮因素，并重點介紹集成多路復用輸入ADC解決方案，以解決光收發(fā)器、可穿戴醫(yī)療設備、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和其他便攜式儀器等空間受限應用的這些技術挑戰(zhàn)。所提出的低功耗解決方案采用集成式多路復用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS PulSAR ADC AD7682/AD7689，采用微型2.39 mm×2.39 mm晶圓級芯片級封裝（WLCSP）封裝，可節(jié)省60%以上的電路板空間，以應對提高通道密度和電池供電便攜式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，同時提供靈活的配置和精密性能。

多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用不同類型的分立單通道或集成多路復用和同步采樣模擬信號鏈，根據(jù)應用要求與各種傳感器類型（如溫度、壓力、光學、振動等）接口。例如：將多個輸入通道多路復用到單個ADC，使用單獨的采樣保持放大器，并將它們多路復用到單個ADC，并使用單獨的ADC允許同時采樣每個通道。在第一種情況下，通常使用逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉換器（ADC），如圖1所示。它可顯著節(jié)省功耗、空間和成本，其中各個通道可能需要在輸入端使用低通抗混疊濾波器，并且其通道切換和排序與ADC轉換時間正確同步。在第二種情況下，如圖2所示，可實現(xiàn)的吞吐速率除以同時采樣的通道數(shù)，但采樣通道之間的恒定相位仍然可以保持。如圖3所示，某些應用需要每個通道的專用放大器和ADC，用于同時對輸入進行采樣，以獲得更高的每通道采樣速率，并以犧牲額外的面積和功耗為代價保留相位信息。同步采樣ADC通常用于自動化測試設備、電力線監(jiān)控和多相電機控制，這些設備需要以更高的每通道吞吐速率連續(xù)采樣，以保留通道之間的相位信息，以實現(xiàn)精確的瞬時測量。

圖1.簡化的多通道數(shù)據(jù)采集信號鏈案例I.

圖2.簡化的多通道數(shù)據(jù)采集信號鏈案例II.

圖3.簡化的多通道數(shù)據(jù)采集信號鏈案例III.

多路復用的主要優(yōu)點是每個通道所需的ADC數(shù)量更少，從而減少了空間、功耗和成本。但是，多路復用系統(tǒng)中可實現(xiàn)的吞吐速率是單個ADC吞吐速率除以采樣通道數(shù)。SAR ADC 具有低延遲和動態(tài)功耗隨吞吐量調節(jié)的固有優(yōu)點。它們通常用于通道多路復用架構，非常適合檢測和監(jiān)控功能。光收發(fā)器模塊中使用的多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要高通道密度，可穿戴醫(yī)療設備需要小尺寸和低功耗，其中來自多個傳感器的信號需要監(jiān)控，并將多個輸入通道多路復用到單個或多個ADC中。多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是，當輸入切換到下一個通道時，它需要對接近滿量程幅度的階躍輸入做出快速響應，以最大限度地減少任何建立時間或串擾問題。以下部分介紹了基于SAR架構的多路復用輸入ADC的實際用例，用于光收發(fā)器和可穿戴電子設備。它解釋了為什么AD7689非常適合這些類型的應用。

光收發(fā)器

100 Gbps光收發(fā)器市場在未來十年的高速相干光傳輸方面具有獨特的增長優(yōu)勢。光收發(fā)器面臨的主要挑戰(zhàn)是采集和處理更寬帶寬的信號，或者以更低的功耗和更小的尺寸多路復用多個輸入通道。當今收發(fā)器的尺寸、功耗和成本結構最初是為長途應用而設計的，限制了它們在對成本更敏感的城域網(wǎng)中的使用。城域網(wǎng)包括：500公里至1000公里的城域網(wǎng)、100公里至500公里的城域核心區(qū)和100公里的城域網(wǎng)接入<100公里的應用。由于城域網(wǎng)的激烈競爭，空間溢價很高，使得線卡密度極其重要，因此，在更小的占地面積中實現(xiàn)低成本光線卡或可插拔模塊的途徑對于相干應用變得越來越重要。

在光網(wǎng)絡中，隨著每通道比特率從10 Gbps增加到100 Gbps或更高，光纖的非理想性會嚴重降低信號質量并影響其傳輸性能。在長距離光網(wǎng)絡中，當光纖損傷導致的光噪聲、非線性效應和色散方面受到懲罰時，也會出現(xiàn)技術挑戰(zhàn)。為了應對這些重大挑戰(zhàn)，40 Gbps 和 100 Gbps 光收發(fā)器的各種制造商使用相干技術，為城域長距離、長距離和超長距離網(wǎng)絡提供更高的數(shù)據(jù)速率連接和最大覆蓋范圍。相干技術通常將多級信號格式和相干檢測相結合，使用雙極化、正交、相移鍵控（DP-QPSK）來優(yōu)化信號調制，從而在更高的數(shù)據(jù)速率下不受光纖損傷的影響，并使100 Gbps傳輸在經濟和技術上可行。下一代 100 Gbps（及以上）數(shù)據(jù)速率光收發(fā)器將需要更低的功耗和微型外形，以增加通道密度，從而顯著節(jié)省空間、功耗和成本。根據(jù)要求，光學系統(tǒng)中的通道數(shù)通常在 8 到 64 個之間變化。元件放置和走線布線對于PCB設計人員來說變得突出，特別是對于高通道密度系統(tǒng)。

通用光模塊的簡化框圖如圖4所示，其中包括發(fā)射器、接收器、micro-ITLA（集成可調諧激光器組件）和數(shù)據(jù)采集組件。圖5顯示了微型ITLA的簡化框圖，微型ITLA是一種控制快速波長切換的寬帶電子可調諧激光設備。發(fā)射器包括一個馬赫曾德爾驅動器和調制器，用于控制現(xiàn)有激光的振幅或強度。多路復用輸入ADC通常用于控制和監(jiān)控功能，以數(shù)字化來自光模塊和微型ITLA中多個通道的數(shù)據(jù)。

圖4.光學模塊的簡化框圖。

圖5.微集成可調諧激光器組件的簡化框圖。

使用可穿戴電子設備進行生命體征監(jiān)測

典型可穿戴電子設備的高級框圖如圖6所示?，F(xiàn)代可穿戴電子設備集成了各種傳感器，以實時準確地監(jiān)控多種人體生物特征。它們提供靈活的用戶界面，用于數(shù)據(jù)存儲和通過 Wi-Fi 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€人智能手機、平板電腦或筆記本電腦。它們使用生物電勢、生物阻抗或光學傳感器來獲取有關多種生命體征的信息，例如心率、呼吸頻率和血液中的氧飽和度水平 （SpO2).聲學傳感器用于提取有關血壓和飲食活動的信息，溫度傳感器用于測量體溫?；?a target="_blank">MEMS的慣性運動傳感器（加速度計）用于跟蹤日常身體活動。來自不同傳感器的信號需要模擬信號調理，然后多路復用到ADC中。某些信號可能也需要同時采樣，具體取決于系統(tǒng)。然后，ADC將這些信號數(shù)字化，處理器或微控制器最終對其進行后處理，以提取有關許多生理測量的信息。

圖6.可穿戴電子設備的簡化框圖。

心電圖（ECG）傳統(tǒng)上用于監(jiān)測心臟活動，這對于生理監(jiān)測和心臟診斷至關重要。然而，智能可穿戴系統(tǒng)使用光學和生物阻抗傳感器，允許將心率監(jiān)測器集成到可穿戴電子設備中，如腕戴式手表、手環(huán)或活動追蹤器。

在光學系統(tǒng)中，快速閃爍的紅外光通過皮膚表面?zhèn)鬏敚?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電探測器測量紅細胞吸收的光。模擬前端對這個微小信號進行調節(jié)和數(shù)字化，然后將其進行后處理以提取有關多個生理變量的信息，例如心率、呼吸頻率和SpO。2使用光電容積脈搏波 （PPG） 技術。

與其他技術（如光學）相比，生物阻抗傳感器消耗的功率要少得多，從而延長了電池壽命。生物阻抗傳感器可用于測量呼吸頻率或皮膚阻抗。正弦信號通過電極注入皮膚（身體組織），并測量、數(shù)字化和后處理流過的微小電流，以準確解釋各種生理信號，如呼吸頻率、皮膚電導率或肺部水分。

這些設備需要高度集成、非常靈敏、經濟高效、高能效的電池供電解決方案，以適應小型化模塊。它們必須可靠、準確地監(jiān)測多個生理變量，同時提高對運動產生的偽影和外部環(huán)境條件的免疫力，否則它們會用噪聲掩蓋真實信號，導致讀數(shù)不準確。因此，ADC具有良好的噪聲性能非常重要，過采樣或平均通常用于改善整體動態(tài)范圍。目標輸入頻段為直流至250 Hz，因此ADC采樣速率接近每秒幾千采樣（kSPS）。

集成多路復用輸入 4 通道/8 通道、16 位、250 kSPS ADC

AD7682/AD7689是業(yè)界領先的集成式、多路復用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS SARADC，采用ADI公司專有的0.5 μm CMOS工藝制造。集成的 4 通道/8 通道低串擾多路復用器在相鄰通道之間引入最小的失配，并允許順序采樣。這些ADC允許選擇極低溫度漂移的內部2.5 V或4.096 V精密基準電壓源、外部基準電壓源或外部緩沖基準電壓源，板載溫度傳感器監(jiān)控ADC的典型內部溫度。這消除了對外部元件的需求，大大節(jié)省了PCB面積和BOM成本。它們包括一個通道序列器，可用于將通道掃描為單個或成對通道，內部溫度傳感器以重復方式啟用或禁用。它提供靈活的串行數(shù)字接口，與 SPI、MICROWIRE、QSPI 和其他數(shù)字主機兼容。其 14 位內部配置寄存器允許用戶選擇各種選項，包括多個要采樣的通道、基準電壓源、溫度傳感器和通道序列器。該接口允許在轉換期間進行 4 線讀取、轉換后讀取以及帶或不帶繁忙指示的跨轉換模式讀取。AD7682/AD7689非常適合高通道密度應用，如光收發(fā)器、可穿戴醫(yī)療設備和其他用于精密檢測和監(jiān)控的便攜式儀器。

圖7所示為多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡化AD7689框圖，提供易于使用的靈活配置選項和精密性能。它解決了與通道切換、排序和建立時間相關的復雜設計問題，并節(jié)省了設計時間。

圖7.AD7689典型應用圖（未顯示所有連接和去耦）。

對于多通道、多路復用應用，一些設計人員使用低輸出阻抗緩沖器來處理多路復用器輸入的反沖，具體取決于所使用的吞吐速率。SAR ADC（數(shù)十MHz）和ADC驅動器（數(shù)十至數(shù)百MHz）的輸入帶寬高于采樣頻率，而所需的輸入信號帶寬通常在數(shù)十Hz至數(shù)百kHz范圍內。因此，根據(jù)系統(tǒng)要求，多路復用器輸入端可能需要單極點、低通RC抗混疊濾波器，以消除不需要的信號（混疊）折回到目標帶寬，從而限制噪聲并減少建立時間問題。應根據(jù)以下權衡仔細選擇每個輸入通道使用的RC濾波器的值，因為過多的頻帶限制會影響建立時間并增加失真;如果電容很大，將有助于衰減多路復用器的反沖，但它也會通過降低其相位裕量使先前的放大器級不穩(wěn)定。對于在變化電壓下具有高Q值、低溫度系數(shù)和穩(wěn)定電氣特性的RC濾波器，推薦使用C0G或NP0型電容器。應選擇合理的串聯(lián)電阻值，以保持放大器穩(wěn)定并限制其輸出電流。電阻不能太大，否則ADC驅動器在多路復用器反沖后將無法為電容充電。

小尺寸

AD7682/AD7689現(xiàn)提供2.39 mm×2.39 mm引腳兼容的晶圓級芯片級封裝（WLCSP），與現(xiàn)有的4 mm× 4 mm引腳框架芯片級封裝（LFCSP）或其他同類競爭器件相比，其外形尺寸縮小了60%以上，可在較小的系統(tǒng)尺寸內提高電路密度。圖 8 將其 WLSCP 的小型化尺寸與標準 6 毫米鉛筆的尺寸進行了比較。

圖8.AD7682/AD7689晶圓級尺寸比較，采用標準鉛筆的芯片級封裝。

AD7682/AD7689 WLCSP芯片的有效側是反相的，可以使用焊球連接到PCB，PCB組裝后的尺寸如圖11所示。PCB組裝后，芯片表面和基板之間的實際分離（支座）隨著印刷在基板上的焊絲網(wǎng)數(shù)量和焊盤直徑而變化。

圖9.AD7682/AD7689 PCB組裝后的WLCSP尺寸。

低功耗

AD7682/AD7689需要模擬和數(shù)字內核電源（VDD） 和一個數(shù)字輸入/輸出接口電源 （VIO） 用于與 1.8 V 和 V 之間的任何邏輯直接接口DD.五世DD和 VIO引腳也可以連接在一起，以節(jié)省系統(tǒng)中所需的電源數(shù)量，并且它們與電源排序無關。由 5 V （VDD） 和 1.8 V （VIO），其功率與吞吐速率成線性關系，功耗非常低——采用5 V外部基準電壓源時，100 SPS時典型值約為1.7 μW，250 kSPS時典型值約為12.5 mW，如圖10所示。這使得ADC具有高能效，非常適合低至幾Hz的高采樣率和低采樣速率以及便攜式和電池供電系統(tǒng)。該器件的主要特性之一是，它在每個轉換階段結束時自動關斷，待機電流非常低，通常僅為50 nA，從而在器件未使用時節(jié)省電池電量，從而延長電池壽命。

圖 10.AD7682/7689工作電流與吞吐速率的關系

精密性能

對于需要多個AD7682/AD7689器件的應用，使用內部基準電壓緩沖器緩沖外部基準電壓更有效，從而降低SAR轉換串擾。最佳SNR采用5 V外部基準電壓源可實現(xiàn)，因為內部基準電壓源限制為4.096 V。在以250 kSPS全速運行時，采用5 V外部基準電壓源，輸入音調為2 kHz，具有±1.5 LSB，信噪加失真比（SINAD）為~93 dB，有效位數(shù)（ENOB）為~15.2位，具有出色的交流和直流性能。圖11顯示了在給定外部基準電壓下SNR、SINAD和ENOB的典型性能。

圖 11.AD7682/7689 SNR、SINAD 和 ENOB 與基準電壓的關系

結論

下一代可插拔光收發(fā)器模塊和其他便攜式系統(tǒng)需要采用小尺寸、低成本的高能效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD7682/AD7689具有業(yè)界領先的集成度和精密性能，支持各種傳感器接口，使設計人員能夠在滿足嚴格用戶要求的同時實現(xiàn)系統(tǒng)差異化。與現(xiàn)有的LFCSP和競爭產品相比，這種高能效集成ADC解決方案可節(jié)省60%以上的空間，非常適合高采樣率和低采樣速率應用，從而解決了空間受限應用中更高的電路密度和熱功耗挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷