利用SiP技术提高精密数据采集信号链密度

精密数据采集市场空间的一个共同愿望是在保持性能的同时提高信号链的密度。随着越来越多的应用转向每通道ADC方法，或者试图在同一尺寸中容纳更多通道，通道密度成为许多数据采集信号链设计人员非常关注的问题。除此之外，有一种趋势是使精密电路更易于使用，更容易实现数据手册的性能。这为通过使用系统级封装（SiP）技术实现信号链来构建解决这些问题的子系统提供了机会。

ADI公司采用这种子系统策略生产的首个器件系列是新型ADAQ798x数据采集产品。ADAQ798x是一款16位模数转换器子系统，在SiP设计中集成了四个常用信号处理和调理模块，支持各种应用。该器件还包含最关键的无源元件，消除了与使用逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）的传统信号链相关的许多设计挑战。这些无源元件对于实现指定的器件性能至关重要。

在查看使用SAR ADC的应用和市场（如工业、仪器仪表、通信和医疗保健）时，可以看到数据采集信号链的某些部分在这些应用中非常常见，而信号链的某些部分可能差异很大。可以看出，这些信号链使用不同的输入源和传感器阵列。因此，在将信号呈现给ADC之前，将实施各种形式的信号调理。由于源不同，这意味着系统满量程可能不同，并且需要不同的参考值来最大化动态范围。一些应用是多通道的，因此实现了前端多路复用器。将根据应用的关键性能标准实施不同的供应方案。但是，无论应用程序如何，其中许多应用程序都有通用的组件。ADAQ7980和ADAQ7988是ADI公司全有源元件解决方案的一部分，该解决方案内置高精度、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、稳定的基准电压缓冲器;以及高效的电源管理模块。这些信号链组件已使用 SiP 技术集成到数据采集子系统中。

这种新型组件采用 5 mm × 4 mm LGA 封装，将简化数据采集系统的设计过程。ADAQ798x的系统集成度解决了许多设计挑战，但该器件仍具有可配置ADC驱动器模块的灵活性，允许增益和/或共模调整。一组四个器件电源可提供最佳的系统性能，但单电源供电时对器件工作规格的影响最小。ADAQ798x系列具有很高的集成度，同时仍具有足够的灵活性，可以适应各种应用。

在开发该产品时，ADI分析了常见的设计错误，以确定如何帮助解决这些挑战。可以看出，许多信号链级设计错误主要集中在SAR ADC的两个方面——基准输入和模拟输入。其中许多信号链误差与ADC的外设电路有关，而ADC的外设对整体模数转换性能至关重要。关于基准电压源，常见的错误包括基准电压源旁路电容的布局和尺寸不正确、基准电压源的驱动强度不足以及基准电压源产生的噪声频谱密度过大。SAR ADC基准输入端的这些不合适的设计条件可能导致ADC做出不正确的位决策。至于ADC模拟输入，观察到的常见设计问题包括ADC驱动器选择不正确、ADC驱动器和ADC之间的滤波器带宽不正确以及滤波电容介质材料选择不正确。这些系统级设计问题的任何组合都可能导致ADC转换性能严重下降。在开发ADAQ798x器件时所做的选择旨在解决这些问题。

如前所述，为了从基于SAR ADC的转换系统实现数据手册性能，必须考虑一些设计考虑因素。SAR ADC基准源和模拟输入源特性对于成功设计转换信号链至关重要。通常，SAR ADC需要一个低阻抗基准电压源和一个布局合理的大去耦电容。该旁路电容用于补充ADC在SAR位试验期间消耗的电荷，可视为ADC外部SAR阵列的一个组件。ADC还需要具有足够噪声性能和带宽的模拟输入源，以便将ADC输入正确建立到所需的分辨率。图1显示了ADAQ798x器件的框图。

图1.ADAQ798x框图

如图1所示，ADAQ798x内置一个基准电压缓冲器和一个相应的10 μF去耦电容。理想情况下，去耦电容的布局靠近ADC的基准输入端。该元件布局的目的是降低去耦电容和SAR电容阵列之间的所有寄生阻抗。该路径的阻抗应尽可能低，以允许电容快速将电荷添加到SAR阵列上，以便在转换过程中重新分配。此外，基准电压缓冲器和去耦电容之间的走线电阻也得到了控制。选择走线尺寸以提供保持基准电压缓冲器稳定的电阻，同时不会导致电压降大到足以产生转换增益误差。用于缓冲参考信号的放大器配置为单位增益。这为外部基准电压源提供了高阻抗输入，而不是SAR ADC基准输入的传统开关电容负载。ADAQ798x用户现在可以采用低功耗或无缓冲基准电压源来驱动ADAQ798x基准输入（REFIN）引脚。通过提供高阻抗，这也使用户在选择基准电压源的物理PCB位置时具有更大的灵活性。通过使用这种SiP元件，基准电压源布局变得不那么重要，因为ADAQ798x中包含一个控制良好的基准电压缓冲器。通过仅包括缓冲器而不包括基准电压源本身，用户可以自由选择宽范围的基准电压源，并最终通过此基准电压选择最大化系统动态范围，因为基准电压源设置转换器满量程电压。

ADAQ798x还具有ADC驱动器和驱动器和ADC输入之间的相应低通滤波器。滤波器带宽选择对于实现所需的性能水平至关重要。选择带宽是为了权衡建立时间和滤波来自高速ADC驱动器的宽带噪声。ADC输入节点上的任何干扰都必须在ADC的采集时间内建立到足够的分辨率。当SAR ADC执行其转换过程时，ADC输入与其外部输入源断开连接。在转换过程中，ADC输入端的电压电位可能会发生变化。然而，在转换结束时，SAR电容阵列上的电压与转换开始时基本相同。当ADC返回采集（跟踪）模式时，SAR电容阵列负载现在存在于ADC输入端。该电容与来自外部低通滤波器的电容并联放置。当这些电容器上的电压不同时，将发生电荷重新分配以平衡所有这些电容器上的电压。这将导致ADC输入端的电压阶跃需要在采集期间建立。最坏情况的步骤发生在向ADC提供满量程转换时。这种情况可能会出现在具有多路复用输入的系统中。该电压阶跃由外部电容和内部SAR电容的比值衰减。ADAQ798x产品采用1800 pF低通滤波电容。假设基准电压为5 V，ADC最大输入电压阶跃计算如下：

该电压阶跃必须在290 ns的最短采集时间内建立。建立该电压阶跃所需的时间常数数可以计算为步长与建立误差之比的自然对数。建立误差选择为1/2 LSB。因此，时间常数的数量由下式找到：

在已知时间常数的情况下，可以确定RC低通滤波器的tau（τ）：

该tau可用于确定所需的滤波器带宽，公式如下：

为了提供一定的裕量并利用标准值元件，ADAQ798x产品内置一个由20 Ω电阻和1800 pF电容组成的滤波器。这提供了4.42 MHz的滤波器带宽，因此允许ADAQ798x滤波器在ADC的采集时间内建立最大的预期电压阶跃。计算出的滤波器带宽也表示噪声滤波和建立之间的权衡点。使用接近确保建立所需的最小值的滤波器带宽将最大限度地提高无源低通滤波器的噪声滤波优势。

虽然SAR ADC返回采集模式的电压阶跃是滤波器建立计算中的限制因素，但应该注意的是，滤波器也可以在1 μs的最小转换周期内很好地建立多路复用器满量程阶跃的实际电压变化。要将满量程阶跃建立为1/2 LSB分辨率，需要11.78个时间常数。这是根据 N+1 个量化水平的自然对数计算得出的。在这种情况下，217或131072代码。每个时间常数38.3 ns时的11.78个时间常数约为450 ns，与1 μs转换周期相比，这无关紧要。这假设多路复用器通道在转换启动后直接切换。

ADC驱动器带宽对于确保转换信号链的适当性能也非常重要。在单位增益中，建立的限制因素是需要在290 ns内建立的电压阶跃，该电压阶跃与转换器返回采集模式有关。因此，在这种情况下，小信号带宽是最重要的放大器带宽规格。为了在1 μs的最小转换周期内建立多路复用器满量程步进，必须保持ADC驱动器大信号带宽，允许在1 μs时间段内保持11.78个时间常数。

ADC驱动器不应给转换信号链带来过多的噪声。子系统总噪声性能计算为ADC噪声、ADC驱动器噪声和基准电压缓冲器噪声的和方根组合。由于旁路电容较大，基准电压源电路的带宽有限，因此在RSS计算中，基准电压缓冲器噪声可以忽略不计。单位增益配置中ADC驱动器噪声的目标选择不大于ADC噪声的1/3。ADC驱动器的噪声频谱密度额定为5.2 nV/√Hz。为了计算整体系统噪声，必须使用以下公式将ADC驱动器的噪声频谱密度转换为μV rms：

该ADC的典型动态范围规格为92 dB，采用5 V基准电压源。ADC的本底噪声计算公式如下：

ADC驱动器本底噪声为13.7 μV rms时，低于ADC噪声的1/3目标。由于单位增益配置中ADC驱动器的噪声贡献，整个系统动态范围从92 dB降至91.6 dB。由于ADC驱动器对系统噪声的影响有限，因此对于低采样速率应用，无需更改低通滤波器带宽，这些应用由于采集周期较长而提供更长的建立时间。通过降低滤波器带宽，单位增益的最佳改进是恢复0.4 dB的动态范围损耗。然而，增加滤波器电阻以降低带宽可能会对THD性能产生不利影响，而ADC驱动器可能难以驱动更大的容性负载。如果需要额外的滤波，可以将ADC驱动器配置为提供滤波优势。

ADAQ798x产品还包括一款低噪声、2.5 V CMOS LDO线性稳压器。某些SAR ADC产品需要2.5 V的特定电源，容差范围较小。对于没有2.5 V电源轨的用户，必须专门为ADC生成一个电源轨。有了这个元件，由于采用了LDO，电源得到了极大的简化。板载LDO用于为转换器供电，LDO输入现在用作ADC电源。这提供了更宽的可用电源电压范围。它还提供了一定程度的简单性。正放大器电源可用作LDO输入，以创建单电源系统。此外，还可以选择电源电压以优化性能或功耗。该器件具有完全关断功能。电源配置的灵活性使ADAQ798x用户能够做出最适合其应用的权衡。

ADAQ798x封装尺寸为5 mm ×4 mm ×2 mm。四层层压板的厚度为0.35毫米，而模具盖的厚度为1.65毫米。这种包覆成型封装具有全模复合和底部填充，就像任何典型的封装集成电路一样。层压板为用户提供 LGA 封装，并具有 24 个 I/O 焊盘。图2显示了ADAQ798x的封装外形图。图3是不含任何封装或模塑料的ADAQ798x组件模型。图3显示，该子系统混合了ADI公司的有源元件和常用的公开市场无源元件。层压走线设计用于控制阻抗并消除任何串扰效应。所有这些设计和组装技术的高潮导致了一种产品的开发，与类似的单个组件设计相比，该产品可以节省高达 50% 的 PCB 面积.

图2.ADAQ798x封装外形图。

图3.ADAQ798x 3D装配模型。

除了节省面积之外，ADAQ798x还为信号链设计人员提供了实现所需性能的更好机会，并降低了系统重新设计的风险。最终，这将缩短上市时间并降低开发成本。选择ADAQ798x也简化了系统物料清单，现在一个数据手册涵盖了系统的更多内容。该SiP组件非常坚固。它经过精心设计和广泛认证，可承受恶劣的工业环境。它具有出色的质量额定值，额定温度范围为 –55°C 至 +125°C。总体而言，ADAQ798x在集成度与灵活性之间实现了出色的平衡，而不会影响信号链性能。

审核编辑：郭婷