Eenvoudiger ontwerp van data-acquisitie in de signaalketen met gestandaardiseerde, aanpasbare oplossingen

Signaalketens zijn een integraal onderdeel van talloze elektronische systemen voor communicatie, biomedische hulpmiddelen, industriële automatisering, instrumentatie en sensoren en vele andere toepassingen. Systeemarchitecten en hardwareontwerpers worden geconfronteerd met tal van logistieke en technische uitdagingen bij het afwegen van specifieke vereisten tegen de noodzaak om voetafdrukken te verkleinen, iteraties in het ontwerp te minimaliseren en de time-to-market te versnellen. Deze uitdagingen pleiten voor meer gestandaardiseerde en geïntegreerde oplossingen die nog steeds in hoge mate kunnen worden aangepast aan de behoeften van de toepassing.

Signaalketens bevatten meestal digitale en analoge componenten, zoals analoog-naar-digitaalomzetters (ADC’s), operationele versterkers, digitale isolatoren en toepassingsspecifieke componenten. Ingenieurs en productontwerpers die optimale oplossingen willen creëren, moeten meerdere afwegingen maken als het gaat om de keuze van componenten, zoals ruis, stroomverbruik, bandbreedte en kosten.

Veel ontwerpers maken signaalketens voor data-acquisitie voor toepassingen zoals geautomatiseerde testapparatuur, luchtvaart, machineautomatisering evenals monitoring, diagnostiek en beeldvormingssystemen in de gezondheidszorg. Hardwaretrends geven de voorkeur aan geavanceerde precisie dataconversieprestaties en verhoogde robuustheid voor complexe ontwerpen, vaak met nadruk op thermische en dichtheidsbeperkingen voor de printplaat (PCB).

Het bereiken van een hogere doorvoer, het minimaliseren van het systeemvermogen en het beschermen en aansturen van ADC-ingangen kan leiden tot ontwerpconflicten over het gebruik van sterk geïntegreerde klantspecifieke IC’s of discrete standaardcomponenten die kosteneffectiever zijn. Beide benaderingen leiden tot hogere onderzoeks- en ontwikkelingskosten bij het ontwikkelen van hoogwaardige, nauwkeurige signaalketenblokken voor eindtoepassingen. De klantspecifieke benadering is meestal duurder, maar discrete componenten presteren waarschijnlijk minder goed voor de bedrijfstemperatuur en levensduur van de schakeling.

Analog Devices, Inc. (ADI) pakt de belangrijkste problemen bij het ontwerp van signaalketens voor data-acquisitie aan door gebruik van heterogene integratie via ‘system-in-package’ (SiP)-technologie en zo een hogere dichtheid, meer functionaliteit, betere prestaties en een langere ‘mean-time-to-failure’ te bereiken. μModule®-oplossingen van ADI voor precisiesignaalketens bieden een compacte, aanpasbare en geïntegreerde oplossing die het ontwerp vereenvoudigt, de prestaties verbetert en ontwikkeltijd bespaart.

Verbeterde dichtheid zonder prestatieverlies

Een belangrijk doel van geavanceerde precisiesignaalketens is het verbeteren van de dichtheid van de signaalketen zonder de prestaties negatief te beïnvloeden, aangezien ontwerpers proberen meer kanalen in dezelfde vormfactor te passen of een ADC-per-kanaal-benadering te gebruiken.

Signaalketens voor data-acquisitie moeten vaak samenwerken met meerdere sensoren met verschillende common-mode spanningen en ingangssignalen. Veel voorkomende problemen zijn onbalans in het circuit of een mismatch in feedback- en versterkingsweerstanden die kunnen resulteren in een ongewenste signaal-ruisverhouding (SNR), vervorming, versterkingsfout en ingangsafwijzingsverhoudingen.

De μModule-oplossingen van ADI voor precisiesignaalketens integreren meerdere analoge en digitale componenten in een enkele module, waarbij gebruik wordt gemaakt van de bedrijfseigen geïntegreerde passives-technologie—iPassives—met signaalconditionerende IC’s en SiP’s van ADI. iPassives werd enkele jaren geleden bij ADI ontwikkeld om de eerdere beperkingen en complexiteit te overwinnen die gepaard gingen met het gebruik van discrete passieve componenten die afzonderlijk werden gefabriceerd en op een printplaat werden aangesloten. Dit biedt ontwikkelaars een flexibel ontwerphulpmiddel om robuuste systeemoplossingen te maken met ‘best-in-class’ prestaties en korte ontwikkelingscyclustijden.

Met μModule-oplossingen kunnen ontwerpers een schijnbaar enkel component creëren om functionaliteit te leveren waarvoor voorheen meerdere afzonderlijke componenten nodig waren in oplossingen op printplaatniveau. Deze benadering elimineert mismatches en maakt kleinere voetafdrukken mogelijk.

Snellere time-to-market

Systeemontwerpers kunnen hogere integratieniveaus en een snellere time-to-market bereiken, en tegelijkertijd zorgen voor betere snelheidsprestaties en lager stroomverbruik tegen een betaalbare prijs. De μModule-benadering maakt complete oplossingen mogelijk verpakt in ruimtelijk efficiënte voetafdrukken en optimaliseert de prestaties en betrouwbaarheid van de signaalketen.

De μModule-oplossingen van ADI voor precisiesignaalketens zijn gericht op het verbeteren van de dichtheid in een kleinere vormfactor door het combineren van eersteklas componenten en geavanceerde 2,5D/3D-assemblageprocessen met behoud van intelligent en efficiënt beheer van de systeemcomponenten. Door functies zoals versterking, filtering en ADC in een enkele module te combineren, is het niet langer nodig om een complexe signaalketenoplossing voor data-acquisitie te maken met afzonderlijke componenten. Deze aanpak vermindert interconnectiviteitsparasieten zoals inductantie, capaciteit en weerstand aanzienlijk.

Met vooraf ontworpen, gefabriceerde, gekarakteriseerde en geteste cores kunnen de ADI-μModules voor precisiesignaalketens de ontwerptijd aanzienlijk verkorten. Ze worden ook geleverd met voorgeconfigureerde signaalketens en ondersteuningsmiddelen van ADI, waaronder evaluatiekaarten en software development kits.

Ontwerpers kunnen de parameters en karakteristieken van de signaalketen aanpassen aan specifieke toepassingsvereisten door componenten intelligent te verdelen. Instelbare versterking, bandbreedte, filteropties en andere aanpasbare functies resulteren in een veelzijdig platform dat diverse ontwerpuitdagingen aanpakt.

In plaats van te worstelen met de ingewikkelde implementatie op schakelingniveau, kunnen systeemontwerpers zich met μModules richten op het ontwerp en de functionaliteit op systeemniveau. Hierdoor kunnen ze sneller prototypes en systemen valideren en sneller innovatieve toepassingen op de markt brengen door een agressievere planning van processen vanaf de systeemdefinitie tot aan de levering van onderdelen.

Passieve componenten die van invloed zijn op de prestaties en het rendement tijdens de fabricage zijn in de μModule geïntegreerd, wat leidt tot lagere secundaire kosten, zoals pick-and-place-verwerking, rendementsverliezen van systeemprintplaten, ondersteuning voor retourzending in het veld en kalibratie van de signaalketen. De integratie van passieve componenten in het PCB-substraat vermindert temperatuurafhankelijke foutbronnen en minimaliseert het aantal discrete componenten en interconnecties op een PCB, waardoor uiteindelijk minder soldeerverbindingen nodig zijn en de betrouwbaarheid toeneemt.

De μModules ADAQ7980 (afbeelding 1) en ADAQ7988 van ADI zijn 16-bits ADC-data-acquisitiesystemen die vier signaalverwerkings- en conditioneringsblokken integreren in een LGA-pakket van 5 mm × 4 mm. Deze systemen ondersteunen verschillende toepassingen, waaronder geautomatiseerde testapparatuur, instrumentatie op batterijen, communicatie, procesbesturing en medische instrumenten. De componenten bevatten de meest kritieke passieve componenten, waardoor veel ontwerpuitdagingen die gepaard gaan met traditionele signaalketens en die gebruik maken van opeenvolgende benaderingsregisters (SAR) ADC’s worden geëlimineerd. Bovendien kunnen meerdere componenten worden doorgelust op een enkele 3-draadsbus met een compatibele seriële periferie-interface (SPI). Alle actieve componenten in de SiP zijn ontworpen door ADI, inclusief:

• zeer nauwkeurige 16-bits SAR ADC met laag stroomverbruik
• low-power ADC-driver met hoge bandbreedte en hoge ingangsimpedantie
• low-power stabiele referentiebuffer
• een efficiënt energiebeheerblok

Afbeelding 1: De μModule ADAQ7980 van ADI (Bron: Analog Devices, Inc.)

Gebruik van μModules voor precisiesignaalketens

De ADI-portfolio van μModules voor data-acquisitie in de signaalketen ondersteunt een breed scala aan toepassingen in verschillende industrieën, zoals de volgende:

Communicatie. De ADAQ8092 is een 14-bits, 105 MSPS, high-speed, tweekanaals μModule voor diverse demodulator- en data-acquisitietoepassingen, zoals zendontvangers, mobiele basisstations en netwerkinfrastructuur. Het component bevat signaalconditionering, een ADC-driver, een spanningsreferentie en een ADC in een enkele behuizing. Elektromagnetische interferentie wordt effectief verlaagd door het scheiden van RF en digitale schakelingen door middel van digitale tegenhangers van ruisgevoelige RF-elektronica.

Het component vormt een complete signaalketen die alle actieve en iPassives-componenten integreert in een voetafdruk die zes keer kleiner is dan die van een vergelijkbare discrete oplossing. Ingebouwde decoupling-condensatoren voor de voeding verbeteren de afstotingsprestaties van de voeding. De ADAQ8092 werkt op analoge voedingen van 3,3 V tot 5 V en digitale voedingen van 1,8 V.

Industriële automatisering. De ADAQ7768-1 is een 24-bits μModule voor nauwkeurige data-acquisitie die signaalconditionering, conversie en verwerkingsblokken omvat. Het component ondersteunt verschillende ingangstypen, waaronder IEPE-sensoren, resistieve bruggen, spannings- en stroomingangen, voor op de conditie gebaseerde bewakingstoepassingen (CbM) die sensoren gebruiken om trends vast te stellen, storingen te voorspellen, de levensduur van apparatuur te berekenen en de veiligheid van mensen te garanderen.

Gebruikers kunnen de ADAQ7768-1 configureren onder twee apparaatconfiguratiemethoden door de registers te wijzigen via de seriële perifere interface (SPI), of via een eenvoudige hardware pinbandmethode. Zeven pin-configureerbare versterkingsinstellingen bieden extra dynamisch bereik voor het systeem en verbeterde ruisprestaties van de signaalketen met ingangssignalen van lagere amplitude.

Testen voor de auto-industrie. De ADAQ23878 is geschikt voor ‘Hardware in the Loop’ (HiL). Dit is een digitale twintechniek die wordt gebruikt voor het testen van complexe real-time systemen, zoals elektronische regeleenheden (ECU’s), stuurbekrachtigingssystemen, ophangingssystemen, accumanagementsystemen of andere voertuigsubsystemen. De module kan ook worden gebruikt voor onder andere automatische testapparatuur en niet-destructieve toepassingen voor het testen van akoestische emissies.

De ADAQ23878 combineert meerdere signaalverwerkings- en conditioneringsblokken in één apparaat, waaronder een FDA met lage ruis, een stabiele referentiebuffer en een snelle 18-bits, 15 MSPS SAR ADC. De kleine voetafdruk van 9 mm × 9 mm, een pitch van 0,8 mm en een ‘hip scale package ball grid array’ (CSP_BGA) met 100 ballen maakt instrumenten met een compactere vormfactor mogelijk zonder aan prestaties in te leveren. Een seriële LVDS (Low Voltage Differential Signaling) digitale interface met één-baans of twee-baans uitvoermodi stelt gebruikers in staat om de datasnelheid van de interface te optimaliseren voor elke toepassing.

Conclusie

Digitale transformatie en automatisering stuwen de vraag naar oplossingen voor data-acquisitie in de signaalketen, die geoptimaliseerd zijn voor veeleisende toepassingen in elektrificatie, auto’s, digitale gezondheid, instrumentatie, slimme industrie, energie en duurzaamheid. Met μModules van ADI voor precisiesignaalketens kunnen ontwerpers een optimale balans tussen integratie en flexibiliteit vinden zonder afbreuk te doen aan de signaalketenprestaties. Het elimineren van veel discrete componenten vermindert het risico op herontwerp van het systeem, vereenvoudigt de stuklijst en kan resulteren in een kortere doorlooptijd en lagere ontwikkelingskosten.