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如何通過集成多路復(fù)用輸入ADC搞掂空間受限的挑戰(zhàn)？

發(fā)布時(shí)間：2024-06-19 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】工業(yè)、儀器儀表、光通信和醫(yī)療保健行業(yè)有越來越多的應(yīng)用開始使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，導(dǎo)致印刷電路板 (PCB) 密度和熱功耗方面的挑戰(zhàn)進(jìn)一步加大。這些應(yīng)用對(duì)高通道密度的需求，推動(dòng)了高通道數(shù)、低功耗、小尺寸集成數(shù)據(jù)采集解決方案的發(fā)展，還要求精密測量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和便攜性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在性能、熱穩(wěn)定性和PCB密度之間進(jìn)行取舍以維持較佳平衡，并且被迫不斷尋找創(chuàng)新方式來解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)要將總物料 (BOM) 成本降低較低。

工業(yè)、儀器儀表、光通信和醫(yī)療保健行業(yè)有越來越多的應(yīng)用開始使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，導(dǎo)致印刷電路板 (PCB) 密度和熱功耗方面的挑戰(zhàn)進(jìn)一步加大。這些應(yīng)用對(duì)高通道密度的需求，推動(dòng)了高通道數(shù)、低功耗、小尺寸集成數(shù)據(jù)采集解決方案的發(fā)展，還要求精密測量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和便攜性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在性能、熱穩(wěn)定性和PCB密度之間進(jìn)行取舍以維持較佳平衡，并且被迫不斷尋找創(chuàng)新方式來解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)要將總物料 (BOM) 成本降低較低。

本文重點(diǎn)說明多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮，并聚焦于通過集成多路復(fù)用輸入ADC解決方案來應(yīng)對(duì)空間受限應(yīng)用（如光收發(fā)器、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)IoT和其他便攜式儀器）的這些技術(shù)挑戰(zhàn)。本文提出的低功耗解決方案采用集成式多路復(fù)用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS PulSAR? ADC AD7682/AD7689，其提供2.39mm × 2.39mm小型晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝 (WLCSP)，可節(jié)省60%以上的板空間，能夠很好地解決高通道密度和電池供電便攜式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，同時(shí)具有靈活的配置和高精度性能。

多路復(fù)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(fù)用且同步采樣的模擬信號(hào)鏈來與各類傳感器（如溫度、壓力、振動(dòng)傳感器及基于應(yīng)用要求的其他許多傳感器）接口。例如：將多個(gè)輸入通道復(fù)用至一個(gè)ADC，各通道均使用一個(gè)采樣保持放大器，以及將多個(gè)輸入通道復(fù)用至一個(gè)ADC，各通道均使用一個(gè)ADC以便對(duì)各通道同步采樣。第一種情況通常使用逐次逼近型 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，如圖1所示。它能節(jié)省相當(dāng)多的功耗、空間和成本，各通道的輸入端可能需要低通抗混疊濾波器，其通道切換和順序與ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間正確同步。第二種情況如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率要除以同步采樣的通道數(shù)，但采樣通道之間仍可以保持恒定的相位。如圖3所示，某些應(yīng)用要求每個(gè)通道使用專用放大器和ADC并對(duì)輸入同步采樣，以提高每通道的采樣速率并保護(hù)相位信息，代價(jià)是板面積和功耗會(huì)增加。同步采樣ADC通常用于自動(dòng)測試設(shè)備、電力線監(jiān)控和多相電機(jī)控制，這些應(yīng)用要求各通道以較高吞吐速率連續(xù)采樣，以保護(hù)通道之間的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精確的瞬時(shí)測量。

圖1. 簡化多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈——第一種情況

圖2. 簡化多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈——第二種情況

圖3. 簡化多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈——第三種情況

多路復(fù)用的關(guān)鍵優(yōu)勢在于每個(gè)通道需要的ADC數(shù)量較少，因而空間、功耗和成本更低。然而，多路復(fù)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率等于單一ADC吞吐速率除以采樣通道數(shù)。SAR型ADC具有低延遲和動(dòng)態(tài)功耗與吞吐速率成比例的固有優(yōu)點(diǎn)。它們常用于通道復(fù)用架構(gòu)，非常適合于檢測和監(jiān)控功能。光收發(fā)器模塊采用的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要高通道密度，可穿戴醫(yī)療設(shè)備要求小尺寸和低功耗，來自多個(gè)傳感器的信號(hào)需要監(jiān)控，多個(gè)輸入通道復(fù)用到單個(gè)或多個(gè)ADC。多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是，當(dāng)輸入切換到下一通道時(shí)，它需要快速響應(yīng)接近滿量程幅度的步進(jìn)輸入，以使建立時(shí)間或串?dāng)_問題較小化。下面介紹基于SAR架構(gòu)的多路復(fù)用輸入ADC用于光收發(fā)器和可穿戴電子設(shè)備的實(shí)際例子，其中解釋了為什么AD7689是此類應(yīng)用的理想選擇。

光收發(fā)器

100 Gbps光收發(fā)器市場在未來十年將迎來增長機(jī)會(huì)，因?yàn)樗С指咚傧喔晒鈧鬏敗９馐瞻l(fā)器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是采集并處理更寬帶寬的信號(hào)，或以更低的功耗在更小的空間中復(fù)用多個(gè)輸入通道。當(dāng)今收發(fā)器最初是針對(duì)遠(yuǎn)程應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，尺寸、功耗和成本結(jié)構(gòu)限制了其在對(duì)成本更敏感的城域網(wǎng)中的使用。城域網(wǎng)包括：都會(huì)區(qū)域500 km至1000 km、都會(huì)核心100 km至500 km和都會(huì)接入100 km以下應(yīng)用。由于城域網(wǎng)競爭激烈，空間溢價(jià)相當(dāng)高，使得線路卡密度異常重要，因此，較低成本的光線路卡或較小尺寸的插接式模塊對(duì)相干應(yīng)用越來越重要。

在光網(wǎng)絡(luò)中，隨著每通道的比特率從10 Gbps提高到100 Gbps或更高，光纖非理想因素會(huì)嚴(yán)重降低信號(hào)質(zhì)量，影響其傳輸性能。當(dāng)光纖缺陷引起光噪聲、非線性效應(yīng)和消散等不利影響時(shí)，遠(yuǎn)程光網(wǎng)絡(luò)也會(huì)產(chǎn)生技術(shù)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些重大挑戰(zhàn)，許多40 Gbps和100 Gbps光收發(fā)器制造商使用相干技術(shù)來支持更高數(shù)據(jù)速率連接、最大的覆蓋范圍和更長的距離，以適應(yīng)城域遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)程和超遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)需求。相干技術(shù)一般會(huì)整合多級(jí)信號(hào)格式和相干檢測，利用雙重極化、正交和相移鍵控 (DP-QPSK) 優(yōu)化信號(hào)調(diào)制，從而抑制較高數(shù)據(jù)速率時(shí)的光纖影響，使得100 Gbps傳輸在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上可行。下一代100 Gbps（及以上）數(shù)據(jù)速率光收發(fā)器將要求更低的功耗和更小的尺寸，以便提高通道密度，大幅節(jié)省空間、功耗和成本。根據(jù)具體要求，光系統(tǒng)的通道數(shù)通常在8到64之間。對(duì)PCB設(shè)計(jì)人員而言，元件放置和走線布線變得重要起來，尤其是高通道密度系統(tǒng)。

圖4顯示了通用光模塊的簡化框圖，其中包括發(fā)射器、接收器、微型ITLA（集成可調(diào)諧激光組件）和數(shù)據(jù)采集器件。圖5顯示了微型ITLA的簡化框圖，它是一種寬帶電子調(diào)諧激光器件，用于控制快速波長切換。發(fā)射器包括Mach-Zehnder驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器，用以控制出射激光的幅度或強(qiáng)度。多路復(fù)用輸入ADC通常用在控制和監(jiān)測功能中，以便對(duì)來自光模塊和微型ITLA的多個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。

圖4. 光模塊簡化框圖

圖5. 微型集成可調(diào)諧激光組件簡化框圖

用可穿戴設(shè)備監(jiān)測生命體征

圖6顯示了典型可穿戴電子設(shè)備的簡要框圖?，F(xiàn)代可穿戴電子設(shè)備集成了多種傳感器來實(shí)時(shí)精確監(jiān)測人體多種生物指標(biāo)。它們提供靈活的用戶接口用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€(gè)人智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦。此類設(shè)備利用生物電位、生物阻抗或光傳感器來獲取有關(guān)心率、呼吸速率、血氧飽和度 (SpO2) 等多種生命體征的信息。聲傳感器用來提取有關(guān)血壓和飲食活動(dòng)的信息，溫度傳感器用來測量體溫?；贛EMS的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器（加速度計(jì)）用來跟蹤每日身體活動(dòng)。來自不同傳感器的信號(hào)需要進(jìn)行模擬信號(hào)調(diào)理，然后多路復(fù)用到ADC。根據(jù)系統(tǒng)要求，某些信號(hào)可能還需要進(jìn)行同步采樣。ADC隨后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，處理器或微控制器最終對(duì)其進(jìn)行后期處理，提取有關(guān)各種生理指標(biāo)的信息。

圖6. 可穿戴電子設(shè)備簡化框圖

心電圖 (ECG) 傳統(tǒng)上用來監(jiān)測心臟活動(dòng)，這對(duì)生理監(jiān)測和心臟診斷至關(guān)重要。然而，智能可穿戴系統(tǒng)使用光傳感器和生物阻抗傳感器，支持將心率監(jiān)護(hù)儀集成到腕表、腕帶或活動(dòng)追蹤器等可穿戴電子設(shè)備中。

在光系統(tǒng)中，快速閃爍的紅外光透射皮膚表面，光電檢測器測量血紅細(xì)胞吸收的光線。模擬前端調(diào)理該微弱信號(hào)并將其數(shù)字化，然后利用光電脈搏波 (PPG) 技術(shù)進(jìn)行后處理，以提取有關(guān)心率、呼吸速率和SpO2等多種生理變量的信息。

與光等技術(shù)相比，生物阻抗傳感器的功耗要低得多，因而可延長電池續(xù)航時(shí)間。生物阻抗傳感器可用來測量呼吸速率或皮膚阻抗。通過電極將一個(gè)正弦信號(hào)注入皮膚（體組織），測量、數(shù)字化并后處理流過的微小電流，從而精確解讀各種生理信號(hào)，如呼吸速率、皮膚電導(dǎo)率或肺積水等。

這些設(shè)備需要高集成度、非常敏感、高性價(jià)比、高效率、可裝入微小模塊中的電池供電解決方案。它們必須精確可靠地監(jiān)測多種生理變量，同時(shí)能夠更好地抑制運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽像和外部環(huán)境條件，否則真實(shí)信號(hào)可能被噪聲淹沒，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。因此，ADC必須具有良好的噪聲性能，常常利用過采樣或均值法來改善整體動(dòng)態(tài)范圍。目標(biāo)輸入頻段是從DC到250 Hz，故而ADC采樣速率接近數(shù)kSPS。

集成多路復(fù)用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS ADC

AD7682/AD7689是業(yè)界較領(lǐng)先的集成多路復(fù)用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS SAR型ADC，采用ADI公司專有0.5 μm CMOS工藝制造。集成4通道/8通道低串?dāng)_多路復(fù)用器引入的鄰道間不匹配極小，支持順序采樣。這些ADC允許選擇超低溫漂的內(nèi)部2.5 V或4.096 V精密基準(zhǔn)電壓源、外部基準(zhǔn)電壓源或外部緩沖基準(zhǔn)電壓源，片上溫度傳感器監(jiān)控ADC的內(nèi)部溫度典型值。這樣就無需外部元件，大幅節(jié)省PCB面積和BOM成本。這些ADC內(nèi)置一個(gè)通道序列器，用于逐個(gè)或成對(duì)掃描通道，內(nèi)部溫度傳感器可以重復(fù)使能或禁用。其靈活的串行數(shù)字接口兼容SPI、MICROWIRE、QSPI和其他數(shù)字主機(jī)。用戶可通過內(nèi)部14位配置寄存器選擇各種選項(xiàng)，包括要采樣的通道數(shù)、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器和通道序列器。在轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換后讀取模式以及含或不含繁忙指示的轉(zhuǎn)換全程讀取模式下，該接口允許執(zhí)行4線式讀操作。AD7682/AD7689非常適合高通道密度應(yīng)用，例如光收發(fā)器、可穿戴醫(yī)療設(shè)備和其他用于精密檢測與監(jiān)控的便攜式儀器。

圖7顯示了AD7689用于一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡化框圖，其提供易于使用的靈活配置選項(xiàng)和精密性能。它能解決與通道切換、序列化和建立時(shí)間相關(guān)的復(fù)雜設(shè)計(jì)問題，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。