【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(lái)越多的應(yīng)用開(kāi)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。這些應(yīng)用還要求精密測(cè)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)行取舍以維持最佳平衡，并且被迫不斷尋找創(chuàng)新方式來(lái)解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)要將總物料 (BOM) 成本降低最低。
本文重點(diǎn)說(shuō)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(guò)集成多路復(fù)用輸入ADC解決方案來(lái)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® ADCs AD7682/AD7689，其提供2.39 mm × 2.39 mm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(lái)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(cè)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(cè)量。
圖1. 簡(jiǎn)化多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈——第一種情況
圖2. 簡(jiǎn)化多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈——第二種情況
圖3. 簡(jiǎn)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(shì)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(cè)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(lái)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(wèn)題最小化。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(chǎng)在未來(lái)十年將迎來(lái)增長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(lái)支持更高數(shù)據(jù)速率連接、最大的覆蓋范圍和更長(zhǎng)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(cè)，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(lái)，尤其是高通道密度系統(tǒng)。
圖4顯示了通用光模塊的簡(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)功能中，以便對(duì)來(lái)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(jiǎn)化框圖
圖5. 微型集成可調(diào)諧激光組件簡(jiǎn)化框圖
利用可穿戴電子設(shè)備監(jiān)測(cè)生命體征
圖6顯示了典型可穿戴電子設(shè)備的簡(jiǎn)要框圖。現(xiàn)代可穿戴電子設(shè)備集成了多種傳感器來(lái)實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)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(guò)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(lái)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(lái)提取有關(guān)血壓和飲食活動(dòng)的信息，溫度傳感器用來(lái)測(cè)量體溫。基于MEMS的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器（加速度計(jì)）用來(lái)跟蹤每日身體活動(dòng)。來(lái)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(jiǎn)化框圖
心電圖 (ECG) 傳統(tǒng)上用來(lái)監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)，這對(duì)生理監(jiān)測(cè)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(cè)器測(cè)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(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。生物阻抗傳感器可用來(lái)測(cè)量呼吸速率或皮膚阻抗。通過(guò)電極將一個(gè)正弦信號(hào)注入皮膚（體組織），測(cè)量、數(shù)字化并后處理流過(guò)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(cè)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(méi)，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(guò)采樣或均值法來(lái)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(wú)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(guò)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(cè)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(jiǎn)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(wèn)題，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。
圖7. AD7689典型應(yīng)用框圖（未顯示所有連接和去耦）
對(duì)于多通道、多路復(fù)用應(yīng)用，有些設(shè)計(jì)人員利用低輸出阻抗緩沖器處理多路復(fù)用器輸入端的反沖影響（取決于所用的吞吐速率）。SAR ADC的輸入帶寬（數(shù)十MHz）和ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入帶寬（數(shù)十到數(shù)百M(fèi)Hz）高于采樣頻率，而所需輸入信號(hào)帶寬通常在數(shù)十Hz到數(shù)百kHz范圍。因此，根據(jù)系統(tǒng)要求，多路復(fù)用器輸入端可能需要單極點(diǎn)低通RC抗混疊濾波器來(lái)消除不需要的信號(hào)（混疊），防止其折回到目標(biāo)帶寬中，從而限制噪聲并減輕建立時(shí)間問(wèn)題。各輸入通道使用的RC濾波器值應(yīng)根據(jù)以下取舍關(guān)系精心選擇（因?yàn)檫^(guò)多的限帶可能影響建立時(shí)間并增加失真）：電容較大會(huì)有助于衰減多路復(fù)用器的反沖影響，但也可能會(huì)降低前一放大器級(jí)的相位裕量，使其變得不穩(wěn)定。為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù)，并且在變化電壓下具有穩(wěn)定的電氣特性，建議使用C0G或NP0型電容。應(yīng)選用合理的串聯(lián)電阻值，以保持放大器穩(wěn)定并限制其輸出電流。電阻值不可過(guò)大，否則多路復(fù)用器反沖后ADC驅(qū)動(dòng)器將無(wú)法對(duì)電容再充電。
小尺寸
AD7682/AD7689現(xiàn)可提供2.39 mm × 2.39 mm、引腳兼容、晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝 (WLCSP)，它比現(xiàn)有4 mm × 4 mm引線框芯片規(guī)模封裝 (LFCSP) 或其他同類競(jìng)爭(zhēng)器件小60%以上，故而可以在很小的系統(tǒng)空間中實(shí)現(xiàn)更高的電路密度。圖8所示為小型WLSCP尺寸與標(biāo)準(zhǔn)6 mm鉛筆尺寸對(duì)比圖。
圖8. AD7682/AD7689晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝與標(biāo)準(zhǔn)鉛筆的尺寸對(duì)比
AD7682/AD7689 WLCSP芯片的有源側(cè)在反面，可以利用焊球連接到PCB，圖11顯示了PCB裝配后的芯片尺寸。PCB裝配后芯片表面與基板之間的實(shí)際距離（離板高度）與印刷在基板上的阻焊網(wǎng)和焊盤直徑有關(guān)。
圖9. PCB裝配后的AD7682/AD7689 WLCSP尺寸
低功耗
AD7682/AD7689需要一個(gè)模擬和數(shù)字內(nèi)核電源 (VDD) 以及一個(gè)數(shù)字輸入/輸出接口電源 (VIO)，以便與任何介于1.8 V和VDD之間的邏輯直接接口。VDD和VIO引腳也可以連在一起以節(jié)省系統(tǒng)所需的電源數(shù)量，并且它們與電源時(shí)序無(wú)關(guān)。這些器件采用5 V (VDD) 和1.8 V (VIO) 電源供電，其功耗與吞吐速率成線性比例關(guān)系，故而可以實(shí)現(xiàn)非常低的功耗：在采用外部5 V基準(zhǔn)電壓源的情況下，100 SPS時(shí)的典型功耗約為1.7 μW，250 kSPS時(shí)為12.5 mW，如圖10所示。因此，該ADC具有高效率，對(duì)高低采樣速率（甚至低至數(shù)Hz）均適合，能夠很好地支持便攜式和電池供電系統(tǒng)。該器件的重要特性之一是其會(huì)在每個(gè)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)自動(dòng)關(guān)斷，僅消耗非常低的待機(jī)電流（典型值50 nA），因而在不使用器件時(shí)可以節(jié)省電池電量，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
圖10. AD7682/7689工作電流與吞吐速率的關(guān)系
精密性能
對(duì)于需要多個(gè)AD7682/AD7689器件的應(yīng)用，使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓緩沖器緩沖外部基準(zhǔn)電壓會(huì)更有效，這樣能降低SAR轉(zhuǎn)換串?dāng)_。由于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓限制在4.096 V，因此使用5 V外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)SNR性能最佳。對(duì)于2 kHz輸入信號(hào)音，采用5 V外部基準(zhǔn)電壓源且以250 kSPS全速運(yùn)行時(shí)，它提供出色的交流和直流性能：INL為±1.5 LSB，信納比 (SINAD) 約為93 dB，有效位數(shù) (ENOB) 約為15.2位。圖11顯示了給定外部基準(zhǔn)電壓下SNR、SINAD和ENOB的典型性能。
圖11. AD7682/7689 SNR、SINAD和ENOB與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系
結(jié)論
下一代插接式光收發(fā)器模塊和其他便攜式系統(tǒng)需要高效率、小尺寸、低成本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD7682/AD7689提供業(yè)界領(lǐng)先的集成度和精密性能，支持廣泛的傳感器接口，設(shè)計(jì)人員利用這些器件不僅能滿足苛刻的用戶要求，還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的差異化。這種高效率集成ADC解決方案能夠應(yīng)對(duì)空間受限應(yīng)用的高電路密度和熱功耗挑戰(zhàn)，與現(xiàn)有LFCSP和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比可節(jié)省60%以上的空間，對(duì)高低采樣速率應(yīng)用都很合適。
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