集成多路复用输入ADC解决方案可降低功耗并增加通道密度挑战

描述

工业、仪器仪表、光通信和医疗保健行业中越来越多的应用使用多通道数据采集系统,这导致印刷电路板 (PCB) 密度和热功耗挑战增加。这些应用中对提高通道密度的需求推动了对高通道数、低功耗和紧凑外形集成数据采集解决方案的需求。这些应用还需要精确的测量、可靠性、经济性和便携性。系统设计人员在性能、热稳定性和PCB密度之间做出权衡,以保持最佳平衡,他们不断寻求创新方法来应对这些挑战,同时最大限度地降低总体物料清单(BOM)成本。本文重点介绍多路复用数据采集系统的设计考虑因素,并重点介绍集成多路复用输入ADC解决方案,以解决光收发器、可穿戴医疗设备、物联网(IoT)和其他便携式仪器等空间受限应用的这些技术挑战。所提出的低功耗解决方案采用集成式多路复用输入4通道/8通道、16位、250 kSPS PulSAR ADC AD7682/AD7689,采用微型2.39 mm×2.39 mm晶圆级芯片级封装(WLCSP)封装,可节省60%以上的电路板空间,以应对提高通道密度和电池供电便携式系统的挑战,同时提供灵活的配置和精密性能。

多路复用数据采集系统

多通道数据采集系统通常采用不同类型的分立单通道或集成多路复用和同步采样模拟信号链,根据应用要求与各种传感器类型(如温度、压力、光学、振动等)接口。例如:将多个输入通道多路复用到单个ADC,使用单独的采样保持放大器,并将它们多路复用到单个ADC,并使用单独的ADC允许同时采样每个通道。在第一种情况下,通常使用逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC),如图1所示。它可显著节省功耗、空间和成本,其中各个通道可能需要在输入端使用低通抗混叠滤波器,并且其通道切换和排序与ADC转换时间正确同步。在第二种情况下,如图2所示,可实现的吞吐速率除以同时采样的通道数,但采样通道之间的恒定相位仍然可以保持。如图3所示,某些应用需要每个通道的专用放大器和ADC,用于同时对输入进行采样,以获得更高的每通道采样速率,并以牺牲额外的面积和功耗为代价保留相位信息。同步采样ADC通常用于自动化测试设备、电力线监控和多相电机控制,这些设备需要以更高的每通道吞吐速率连续采样,以保留通道之间的相位信息,以实现精确的瞬时测量。

传感器

图1.简化的多通道数据采集信号链案例I.

传感器

图2.简化的多通道数据采集信号链案例II.

传感器

图3.简化的多通道数据采集信号链案例III.

多路复用的主要优点是每个通道所需的ADC数量更少,从而减少了空间、功耗和成本。但是,多路复用系统中可实现的吞吐速率是单个ADC吞吐速率除以采样通道数。SAR ADC 具有低延迟和动态功耗随吞吐量调节的固有优点。它们通常用于通道多路复用架构,非常适合检测和监控功能。光收发器模块中使用的多路复用数据采集系统需要高通道密度,可穿戴医疗设备需要小尺寸和低功耗,其中来自多个传感器的信号需要监控,并将多个输入通道多路复用到单个或多个ADC中。多路复用数据采集系统的主要挑战之一是,当输入切换到下一个通道时,它需要对接近满量程幅度的阶跃输入做出快速响应,以最大限度地减少任何建立时间或串扰问题。以下部分介绍了基于SAR架构的多路复用输入ADC的实际用例,用于光收发器和可穿戴电子设备。它解释了为什么AD7689非常适合这些类型的应用。

光收发器

100 Gbps光收发器市场在未来十年的高速相干光传输方面具有独特的增长优势。光收发器面临的主要挑战是采集和处理更宽带宽的信号,或者以更低的功耗和更小的尺寸多路复用多个输入通道。当今收发器的尺寸、功耗和成本结构最初是为长途应用而设计的,限制了它们在对成本更敏感的城域网中的使用。城域网包括:500公里至1000公里的城域网、100公里至500公里的城域核心区和100公里的城域网接入<100公里的应用。由于城域网的激烈竞争,空间溢价很高,使得线卡密度极其重要,因此,在更小的占地面积中实现低成本光线卡或可插拔模块的途径对于相干应用变得越来越重要。

在光网络中,随着每通道比特率从10 Gbps增加到100 Gbps或更高,光纤的非理想性会严重降低信号质量并影响其传输性能。在长距离光网络中,当光纤损伤导致的光噪声、非线性效应和色散方面受到惩罚时,也会出现技术挑战。为了应对这些重大挑战,40 Gbps 和 100 Gbps 光收发器的各种制造商使用相干技术,为城域长距离、长距离和超长距离网络提供更高的数据速率连接和最大覆盖范围。相干技术通常将多级信号格式和相干检测相结合,使用双极化、正交、相移键控(DP-QPSK)来优化信号调制,从而在更高的数据速率下不受光纤损伤的影响,并使100 Gbps传输在经济和技术上可行。下一代 100 Gbps(及以上)数据速率光收发器将需要更低的功耗和微型外形,以增加通道密度,从而显著节省空间、功耗和成本。根据要求,光学系统中的通道数通常在 8 到 64 个之间变化。元件放置和走线布线对于PCB设计人员来说变得突出,特别是对于高通道密度系统。

通用光模块的简化框图如图4所示,其中包括发射器、接收器、micro-ITLA(集成可调谐激光器组件)和数据采集组件。图5显示了微型ITLA的简化框图,微型ITLA是一种控制快速波长切换的宽带电子可调谐激光设备。发射器包括一个马赫曾德尔驱动器和调制器,用于控制现有激光的振幅或强度。多路复用输入ADC通常用于控制和监控功能,以数字化来自光模块和微型ITLA中多个通道的数据。

传感器

图4.光学模块的简化框图。

传感器

图5.微集成可调谐激光器组件的简化框图。

使用可穿戴电子设备进行生命体征监测

典型可穿戴电子设备的高级框图如图6所示。现代可穿戴电子设备集成了各种传感器,以实时准确地监控多种人体生物特征。它们提供灵活的用户界面,用于数据存储和通过 Wi-Fi 将数据传输到个人智能手机、平板电脑或笔记本电脑。它们使用生物电势、生物阻抗或光学传感器来获取有关多种生命体征的信息,例如心率、呼吸频率和血液中的氧饱和度水平 (SpO2).声学传感器用于提取有关血压和饮食活动的信息,温度传感器用于测量体温。基于MEMS的惯性运动传感器(加速度计)用于跟踪日常身体活动。来自不同传感器的信号需要模拟信号调理,然后多路复用到ADC中。某些信号可能也需要同时采样,具体取决于系统。然后,ADC将这些信号数字化,处理器或微控制器最终对其进行后处理,以提取有关许多生理测量的信息。

传感器

图6.可穿戴电子设备的简化框图。

心电图(ECG)传统上用于监测心脏活动,这对于生理监测和心脏诊断至关重要。然而,智能可穿戴系统使用光学和生物阻抗传感器,允许将心率监测器集成到可穿戴电子设备中,如腕戴式手表、手环或活动追踪器。

在光学系统中,快速闪烁的红外光通过皮肤表面传输,光电探测器测量红细胞吸收的光。模拟前端对这个微小信号进行调节和数字化,然后将其进行后处理以提取有关多个生理变量的信息,例如心率、呼吸频率和SpO。2使用光电容积脉搏波 (PPG) 技术。

与其他技术(如光学)相比,生物阻抗传感器消耗的功率要少得多,从而延长了电池寿命。生物阻抗传感器可用于测量呼吸频率或皮肤阻抗。正弦信号通过电极注入皮肤(身体组织),并测量、数字化和后处理流过的微小电流,以准确解释各种生理信号,如呼吸频率、皮肤电导率或肺部水分。

这些设备需要高度集成、非常灵敏、经济高效、高能效的电池供电解决方案,以适应小型化模块。它们必须可靠、准确地监测多个生理变量,同时提高对运动产生的伪影和外部环境条件的免疫力,否则它们会用噪声掩盖真实信号,导致读数不准确。因此,ADC具有良好的噪声性能非常重要,过采样或平均通常用于改善整体动态范围。目标输入频段为直流至250 Hz,因此ADC采样速率接近每秒几千采样(kSPS)。

集成多路复用输入 4 通道/8 通道、16 位、250 kSPS ADC

AD7682/AD7689是业界领先的集成式、多路复用输入4通道/8通道、16位、250 kSPS SARADC,采用ADI公司专有的0.5 μm CMOS工艺制造。集成的 4 通道/8 通道低串扰多路复用器在相邻通道之间引入最小的失配,并允许顺序采样。这些ADC允许选择极低温度漂移的内部2.5 V或4.096 V精密基准电压源、外部基准电压源或外部缓冲基准电压源,板载温度传感器监控ADC的典型内部温度。这消除了对外部元件的需求,大大节省了PCB面积和BOM成本。它们包括一个通道序列器,可用于将通道扫描为单个或成对通道,内部温度传感器以重复方式启用或禁用。它提供灵活的串行数字接口,与 SPI、MICROWIRE、QSPI 和其他数字主机兼容。其 14 位内部配置寄存器允许用户选择各种选项,包括多个要采样的通道、基准电压源、温度传感器和通道序列器。该接口允许在转换期间进行 4 线读取、转换后读取以及带或不带繁忙指示的跨转换模式读取。AD7682/AD7689非常适合高通道密度应用,如光收发器、可穿戴医疗设备和其他用于精密检测和监控的便携式仪器。

图7所示为多通道数据采集系统的简化AD7689框图,提供易于使用的灵活配置选项和精密性能。它解决了与通道切换、排序和建立时间相关的复杂设计问题,并节省了设计时间。

传感器

图7.AD7689典型应用图(未显示所有连接和去耦)。

对于多通道、多路复用应用,一些设计人员使用低输出阻抗缓冲器来处理多路复用器输入的反冲,具体取决于所使用的吞吐速率。SAR ADC(数十MHz)和ADC驱动器(数十至数百MHz)的输入带宽高于采样频率,而所需的输入信号带宽通常在数十Hz至数百kHz范围内。因此,根据系统要求,多路复用器输入端可能需要单极点、低通RC抗混叠滤波器,以消除不需要的信号(混叠)折回到目标带宽,从而限制噪声并减少建立时间问题。应根据以下权衡仔细选择每个输入通道使用的RC滤波器的值,因为过多的频带限制会影响建立时间并增加失真;如果电容很大,将有助于衰减多路复用器的反冲,但它也会通过降低其相位裕量使先前的放大器级不稳定。对于在变化电压下具有高Q值、低温度系数和稳定电气特性的RC滤波器,推荐使用C0G或NP0型电容器。应选择合理的串联电阻值,以保持放大器稳定并限制其输出电流。电阻不能太大,否则ADC驱动器在多路复用器反冲后将无法为电容充电。

小尺寸

AD7682/AD7689现提供2.39 mm×2.39 mm引脚兼容的晶圆级芯片级封装(WLCSP),与现有的4 mm× 4 mm引脚框架芯片级封装(LFCSP)或其他同类竞争器件相比,其外形尺寸缩小了60%以上,可在较小的系统尺寸内提高电路密度。图 8 将其 WLSCP 的小型化尺寸与标准 6 毫米铅笔的尺寸进行了比较。

传感器

图8.AD7682/AD7689晶圆级尺寸比较,采用标准铅笔的芯片级封装。

AD7682/AD7689 WLCSP芯片的有效侧是反相的,可以使用焊球连接到PCB,PCB组装后的尺寸如图11所示。PCB组装后,芯片表面和基板之间的实际分离(支座)随着印刷在基板上的焊丝网数量和焊盘直径而变化。

传感器

图9.AD7682/AD7689 PCB组装后的WLCSP尺寸。

低功耗

AD7682/AD7689需要模拟和数字内核电源(VDD) 和一个数字输入/输出接口电源 (VIO) 用于与 1.8 V 和 V 之间的任何逻辑直接接口DD.五世DD和 VIO引脚也可以连接在一起,以节省系统中所需的电源数量,并且它们与电源排序无关。由 5 V (VDD) 和 1.8 V (VIO),其功率与吞吐速率成线性关系,功耗非常低——采用5 V外部基准电压源时,100 SPS时典型值约为1.7 μW,250 kSPS时典型值约为12.5 mW,如图10所示。这使得ADC具有高能效,非常适合低至几Hz的高采样率和低采样速率以及便携式和电池供电系统。该器件的主要特性之一是,它在每个转换阶段结束时自动关断,待机电流非常低,通常仅为50 nA,从而在器件未使用时节省电池电量,从而延长电池寿命。

传感器

图 10.AD7682/7689工作电流与吞吐速率的关系

精密性能

对于需要多个AD7682/AD7689器件的应用,使用内部基准电压缓冲器缓冲外部基准电压更有效,从而降低SAR转换串扰。最佳SNR采用5 V外部基准电压源可实现,因为内部基准电压源限制为4.096 V。在以250 kSPS全速运行时,采用5 V外部基准电压源,输入音调为2 kHz,具有±1.5 LSB,信噪加失真比(SINAD)为~93 dB,有效位数(ENOB)为~15.2位,具有出色的交流和直流性能。图11显示了在给定外部基准电压下SNR、SINAD和ENOB的典型性能。

传感器

图 11.AD7682/7689 SNR、SINAD 和 ENOB 与基准电压的关系

结论

下一代可插拔光收发器模块和其他便携式系统需要采用小尺寸、低成本的高能效数据采集系统。AD7682/AD7689具有业界领先的集成度和精密性能,支持各种传感器接口,使设计人员能够在满足严格用户要求的同时实现系统差异化。与现有的LFCSP和竞争产品相比,这种高能效集成ADC解决方案可节省60%以上的空间,非常适合高采样率和低采样速率应用,从而解决了空间受限应用中更高的电路密度和热功耗挑战。

审核编辑:郭婷

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