ลดความซับซ้อนของการออกแบบการรับข้อมูลห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณด้วยโซลูชันที่ได้มาตรฐานและปรับแต่งได้

ห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณ (Signal Chains) เป็นส่วนสำคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากสำหรับการสื่อสาร อุปกรณ์ชีวการแพทย์ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เครื่องมือวัดและเซ็นเซอร์ และการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย โดยสถาปนิกระบบและนักออกแบบฮาร์ดแวร์เผชิญกับความท้าทายด้านเทคนิคและลอจิสติกส์มากมายในการสร้างสมดุลระหว่างความต้องการเฉพาะกับความจำเป็นในการลดขนาดพื้นที่ ลดการทำซ้ำของการออกแบบ และเร่งเวลาออกสู่ตลาด ความท้าทายเหล่านั้นทำให้เกิดโซลูชันแบบบูรณาการที่ได้มาตรฐานมากขึ้น ซึ่งยังคงสามารถปรับแต่งได้สูงเพื่อให้ตรงกับความต้องการของการใช้งาน

โดยทั่วไปห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณจะประกอบด้วยส่วนประกอบดิจิทัลและแอนะล็อก เช่น ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC), ออปแอมป์, ตัวแยกสัญญาณดิจิทัล และส่วนประกอบเฉพาะสำหรับการใช้งานประเภทต่าง ๆ ซึ่งวิศวกรและนักออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ต้องการสร้างโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดจะต้องพิจารณาข้อดีข้อเสียหลายประการในการเลือกส่วนประกอบ รวมถึงสัญญาณรบกวน การใช้พลังงาน แบนด์วิธ และต้นทุน

นักออกแบบจำนวนมากสร้างห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณการรับข้อมูลสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ การบิน เครื่องจักรอัตโนมัติ และระบบการดูแลสุขภาพ การตรวจสอบ การวินิจฉัย และการถ่ายภาพ แนวโน้มด้านฮาร์ดแวร์สนับสนุนประสิทธิภาพการแปลงข้อมูลที่มีความแม่นยำขั้นสูง และความทนทานที่เพิ่มขึ้นสำหรับการออกแบบที่ซับซ้อน ซึ่งมักจะเน้นย้ำข้อจำกัดด้านความหนาแน่นของความร้อนและแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

การได้มาซึ่งอัตราการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้น การลดกำลังไฟของระบบ และการปกป้องและการขับเคลื่อนอินพุต ADC สามารถสร้างข้อขัดแย้งด้านการออกแบบมากกว่าการใช้วงจรรวม (IC) เฉพาะลูกค้าที่มีการบูรณาการในระดับสูงหรือส่วนประกอบมาตรฐานแยกที่คุ้มค่ากว่า ซึ่งทั้งสองแนวทางผลักดันต้นทุนการวิจัยและพัฒนาในการพัฒนาบล็อกห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณที่มีประสิทธิภาพสูงและแม่นยำสำหรับการใช้งานขั้นสุดท้าย โดยแนวทางเฉพาะของลูกค้ามักจะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า แต่อุปกรณ์แยกมีแนวโน้มที่จะลดประสิทธิภาพลงตลอดอุณหภูมิการทำงานและอายุการใช้งานของวงจร

Analog Devices, Inc. (ADI) แก้ไขปัญหาการออกแบบห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณการรับข้อมูลที่สำคัญโดยใช้ประโยชน์จากการบูรณาการที่แตกต่างกันผ่านเทคโนโลยี System-In-Package (SiP) เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของสัญญาณที่สูงขึ้น ฟังก์ชันการทำงานที่เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น และระยะเวลาเฉลี่ยที่จะเกิดความล้มเหลวนานขึ้น โดยโซลูชันห่วงโซ่สัญญาณ μModule ® ที่มีความแม่นยำของ ADI เป็นโซลูชันขนาดกะทัดรัด ปรับแต่งได้ และครบวงจร ซึ่งช่วยให้การออกแบบง่ายขึ้น ปรับปรุงประสิทธิภาพ และประหยัดเวลาในการพัฒนา

การปรับปรุงความหนาแน่นโดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

เป้าหมายหลักของห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณที่มีความแม่นยำขั้นสูงคือการปรับปรุงความหนาแน่นของห่วงโซ่สัญญาณโดยไม่ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพ เนื่องจากนักออกแบบพยายามที่จะปรับช่องสัญญาณให้มากขึ้นในรูปแบบเดียวกัน หรือใช้แนวทาง ADC ต่อช่องสัญญาณ

ห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณการเก็บข้อมูลมักจะเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์หลายตัวที่มีแรงดันไฟฟ้าและสัญญาณอินพุตในโหมดทั่วไปที่แตกต่างกัน ปัญหาที่พบบ่อย ได้แก่ วงจรไม่สมดุลหรือค่าป้อนกลับและตัวต้านทานเกนไม่ตรงกันซึ่งอาจส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่ไม่พึงประสงค์ การบิดเบือน ข้อผิดพลาดในการรับสัญญาณ และอัตราส่วนการปฏิเสธอินพุต

โซลูชันห่วงโซ่สัญญาณ μModule ที่มีความแม่นยำของ ADI ผสานรวมส่วนประกอบแอนะล็อกและดิจิทัลหลายตัวไว้ในโมดูลเดียว โดยใช้เทคโนโลยีพาสซีฟแบบบูรณาการของ ADI —iPassives—พร้อมไอซีปรับสัญญาณ ADI และ SiP iPassives ได้รับการพัฒนาที่ ADI เมื่อหลายปีก่อนเพื่อเอาชนะข้อจำกัดและความซับซ้อนในอดีตในการใช้ส่วนประกอบพาสซีฟแบบแยกที่ผลิตแยกกันและเชื่อมต่อบน PCB สิ่งนี้ทำให้นักพัฒนามีเครื่องมือออกแบบที่ยืดหยุ่นเพื่อสร้างโซลูชันระบบที่แข็งแกร่งพร้อมประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในระดับเดียวกันและรอบเวลาการพัฒนาที่สั้น

ด้วยโซลูชัน μModule นักออกแบบสามารถสร้างสิ่งที่ดูเหมือนเป็นอุปกรณ์ชิ้นเดียวเพื่อส่งมอบฟังก์ชันการทำงานที่ก่อนหน้านี้จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบแยกหลายชิ้นในโซลูชันระดับบอร์ด โดยวิธีการนี้จะช่วยขจัดความไม่ตรงกันและช่วยให้มีขนาดเล็กลง

เวลาออกสู่ตลาดเร็วขึ้น

ผู้ออกแบบระบบสามารถบรรลุการบูรณาการในระดับที่สูงขึ้นและมีเวลาออกสู่ตลาดเร็วขึ้น ในขณะเดียวกันก็รับประกันประสิทธิภาพความเร็วที่ดีขึ้น และลดการใช้พลังงานในราคาที่เอื้อมถึง ซึ่งการใช้ μModule ช่วยให้เกิดโซลูชันที่สมบูรณ์ซึ่งใช้พื้นที่ไม่มาก และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณให้เหมาะสม

โซลูชันห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณ μModule ที่มีความแม่นยำของ ADI มีเป้าหมายเพื่อเพิ่มความหนาแน่นในรูปแบบที่เล็กลงโดยการรวมอุปกรณ์ชั้นยอดและกระบวนการประกอบ 2.5D/3D ขั้นสูง ขณะเดียวกันก็รักษาการจัดการส่วนประกอบของระบบที่ชาญฉลาดและมีประสิทธิภาพ การรวมฟังก์ชันต่างๆ เช่น การขยายสัญญาณ การกรอง และ ADC ไว้ในโมดูลเดียวช่วยลดความจำเป็นในการสร้างโซลูชันห่วงโซ่สัญญาณการรับข้อมูลที่ซับซ้อนด้วยส่วนประกอบแต่ละชิ้น วิธีการนี้ช่วยลดโหลดแฝงในการเชื่อมต่อระหว่างกัน เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ความจุไฟฟ้า และความต้านทานได้อย่างมาก

โมดูลห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณ μModule ที่มีความแม่นยำของ ADI สามารถลดเวลาในการออกแบบได้อย่างมาก ด้วยแกนที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า มีลักษณะเฉพาะ ประดิษฐ์ขึ้นมาใหม่ และผ่านการทดสอบแล้ว ซึ่งโมดูลนี้มาพร้อมกับห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณที่กำหนดค่าไว้ล่วงหน้าและทรัพยากรสนับสนุน ADI รวมถึงบอร์ดประเมินผลและชุดพัฒนาซอฟต์แวร์

นักออกแบบสามารถปรับแต่งพารามิเตอร์และคุณลักษณะของห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณให้เหมาะกับความต้องการใช้งานเฉพาะผ่านการแบ่งส่วนส่วนประกอบอย่างชาญฉลาด อัตราขยายที่ปรับได้ แบนด์วิธ ตัวเลือกการกรอง และคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้อื่นๆ ส่งผลให้เกิดแพลตฟอร์มอเนกประสงค์ที่จัดการกับความท้าทายด้านการออกแบบที่หลากหลาย

แทนที่จะต้องดิ้นรนกับการใช้งานระดับวงจรที่ซับซ้อนด้วย μModules ผู้ออกแบบระบบสามารถมุ่งเน้นไปที่การออกแบบและฟังก์ชันการทำงานระดับระบบ ทำให้เกิดการสร้างต้นแบบและการตรวจสอบระบบที่รวดเร็วยิ่งขึ้น และทำให้มีเวลามากขึ้นในการออกสู่ตลาดสำหรับการใช้งานที่เป็นนวัตกรรมใหม่ โดยการส่งเสริมการกำหนดเวลาของกระบวนการเชิงรุกมากขึ้นจากคำจำกัดความของระบบในการส่งมอบชิ้นส่วน

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและผลผลิตในระหว่างการผลิตจะถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์ μModule ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนรองลดลง เช่น การเลือกและวางการประกอบ การสูญเสียผลผลิตของ PCB ของระบบ การรองรับข้อบกพร่องเมื่อผู้บริโภคใช้งาน และการสอบเทียบสายโซ่สัญญาณ การรวมส่วนประกอบแบบพาสซีฟเข้ากับซับสเตรต PCB ช่วยลดแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่ขึ้นกับอุณหภูมิ ในขณะเดียวกันก็ลดจำนวนส่วนประกอบที่แยกจากกันและการเชื่อมต่อระหว่างกันบน PCB ให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งท้ายที่สุดจะช่วยลดข้อต่อบัดกรีและเพิ่มความน่าเชื่อถือในที่สุด

μModules รุ่น ADQ7980 (รูปที่ 1) และ ADQ7988 ของ ADI คือระบบเก็บข้อมูล ADC 16 บิตที่รวมการประมวลผลสัญญาณสี่บล็อกและบล็อกการปรับสภาพไว้ในแพ็คเกจ LGA ขนาด 5 มม. x 4 มม. ระบบเหล่านี้รองรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ เครื่องมือวัดที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ การสื่อสาร การควบคุมกระบวนการ และเครื่องมือทางการแพทย์ อุปกรณ์ดังกล่าวรวมเอาส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่สำคัญที่สุด ซึ่งช่วยขจัดความท้าทายด้านการออกแบบมากมายที่เกี่ยวข้องกับสายโซ่สัญญาณแบบดั้งเดิมที่ใช้ ADC รีจิสเตอร์การประมาณค่าต่อเนื่อง (SAR) นอกจากนี้ อุปกรณ์หลายตัวยังสามารถเชื่อมต่อแบบเดซี่เชนบนบัส 3 สายเส้นเดียวที่มีอินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม (SPI) ที่ใช้งานร่วมกันได้ ส่วนประกอบที่ใช้งานทั้งหมดใน SiP ได้รับการออกแบบโดย ADI รวมถึง:

• SAR ADC 16 บิตที่มีความแม่นยำสูงและใช้พลังงานต่ำ
• ไดรเวอร์ ADC อิมพีแดนซ์อินพุตสูงที่ใช้พลังงานต่ำ แบนด์วิธสูง
• บัฟเฟอร์อ้างอิงเสถียรพลังงานต่ำ
• บล็อกการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพ

รูปที่ 1: ADAQ7980 μModule ของ ADI (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices, Inc.)

การใช้ μModules ห่วงโซ่ประมวลสัญญาณที่แม่นยำ

μModules ห่วงโซ่ประมวลสัญญาณการเก็บข้อมูลที่แม่นยำของ ADI รองรับการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่นต่อไปนี้:

การสื่อสาร ADQ8092 คือ μModule การรับข้อมูลแบบสองช่องสัญญาณความเร็วสูง 14 บิต 105 MSPS สำหรับการดีมอดูเลเตอร์และการเก็บข้อมูลต่างๆ เช่น เครื่องรับส่งสัญญาณ สถานีฐานเซลลูลาร์ และโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย อุปกรณ์นี้รวมการปรับสภาพสัญญาณ ไดรเวอร์ ADC การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า และ ADC ไว้ในแพ็คเกจเดียว การแยกวงจร RF และวงจรดิจิทัลช่วยลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้รับจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ RF ที่ไวต่อเสียงรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อุปกรณ์สร้างสายโซ่สัญญาณที่สมบูรณ์ซึ่งรวมเอาส่วนประกอบแอคทีฟและ iPassives มีขนาดเล็กกว่าโซลูชันแยกที่เทียบเคียงกันถึงหกเท่า ตัวเก็บประจุแยกตัวจ่ายไฟในตัวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการปฏิเสธแหล่งจ่ายไฟ ADAQ8092 ทำงานบนแหล่งจ่ายไฟแอนะล็อก 3.3 V ถึง 5 V และดิจิตอล 1.8 V

ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม ADQ7768-1 คือ μModule การเก็บข้อมูลที่มีความแม่นยำ 24 บิตที่มีการปรับสภาพสัญญาณ การแปลง และบล็อกการประมวลผล อุปกรณ์รองรับอินพุตประเภทต่างๆ รวมถึงเซ็นเซอร์ IEPE บริดจ์ตัวต้านทาน แรงดันไฟฟ้า และอินพุตกระแสไฟฟ้า สำหรับการใช้งานการตรวจสอบตามเงื่อนไข (CbM) ที่ใช้เซ็นเซอร์เพื่อสร้างแนวโน้ม คาดการณ์ความล้มเหลว คำนวณอายุการใช้งานของสินทรัพย์ และรับประกันความปลอดภัยของมนุษย์

ผู้ใช้สามารถกำหนดค่า ADAQ7768-1 ให้ทำงานภายใต้วิธีการกำหนดค่าอุปกรณ์สองวิธีโดยการเปลี่ยนรีจิสเตอร์ผ่านอินเทอร์เฟซแบบอนุกรม (SPI) หรือวิธีการรัดพินฮาร์ดแวร์อย่างง่าย การตั้งค่าเกนที่กำหนดค่าได้เจ็ดพินให้ช่วงไดนามิกของระบบเพิ่มเติมและปรับปรุงประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนของห่วงโซ่ประมวลผลสัญญาณด้วยสัญญาณอินพุตที่มีแอมพลิจูดต่ำกว่า

การทดสอบยานยนต์ ADQ23878 เหมาะสำหรับ Hardware in the Loop (HiL) ซึ่งเป็นเทคนิค Digital Twin ที่ใช้ในการทดสอบระบบเรียลไทม์ที่ซับซ้อน เช่น ชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ระบบพวงมาลัยเพาเวอร์ ระบบกันสะเทือน ระบบจัดการแบตเตอรี่ หรือยานพาหนะอื่น ๆ ระบบย่อย นอกจากนี้ยังสามารถใช้กับอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติและการทดสอบการปล่อยเสียงโดยไม่ทำลาย และอื่นๆ อีกมากมาย

ADAQ23878 รวมการประมวลผลสัญญาณและบล็อกการปรับสภาพหลายรายการไว้ในอุปกรณ์เครื่องเดียว รวมถึง FDA ที่มีเสียงรบกวนต่ำ บัฟเฟอร์อ้างอิงที่เสถียร และความเร็วสูง 18 บิต 15 MSPS SAR ADC ขนาดที่เล็กเพียง 9 มม. x 9 มม. ระยะพิทช์ 0.8 มม. Ball Grid Array (CSP_BGA) แพ็คเกจชิปขนาดชิป 100 ลูก ช่วยให้เครื่องมือมีฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดกะทัดรัดมากขึ้นโดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพลง อินเทอร์เฟซดิจิทัลแบบอนุกรมแรงดันไฟฟ้าต่ำ (LVDS) พร้อมโหมดเอาต์พุตหนึ่งเลนหรือสองเลนช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับอัตราข้อมูลอินเทอร์เฟซให้เหมาะสมสำหรับแต่ละการใช้งาน

สรุป

การเปลี่ยนแปลงทางดิจิทัลและระบบอัตโนมัติกำลังผลักดันความต้องการโซลูชันการรับข้อมูลห่วงโซ่สัญญาณที่ได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้งานที่มีความต้องการในด้านการใช้พลังงานไฟฟ้า ยานยนต์ สุขภาพดิจิทัล เครื่องมือวัด อุตสาหกรรมอัจฉริยะ พลังงาน และความยั่งยืน μModules ห่วงโซ่ประมวลสัญญาณที่แม่นยำของ ADI ช่วยให้นักออกแบบมีความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดในการบูรณาการและความยืดหยุ่น โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพของห่วงโซ่สัญญาณ การกำจัดส่วนประกอบที่แยกออกจากกันจำนวนมากช่วยลดความเสี่ยงของการออกแบบระบบใหม่ ลดความซับซ้อนของรายการวัสดุของระบบ และอาจส่งผลให้ใช้เวลาในการออกสู่ตลาดสั้นลงและลดต้นทุนการพัฒนา