混合信號集成讓模擬設(shè)計人員進入新角色

Samplify公司實現(xiàn)這一飛躍的途徑是面向ODM進行優(yōu)化，不過這不是無晶圓廠公司唯一可行的辦法。蘇格蘭公司W(wǎng)olfson Microelectronics表示，它正在尋求將其編解碼器用在大公司的參考設(shè)計板的機會，從而能將他們的產(chǎn)品賣給OEM。

中國以外的地區(qū)

由于遠東地區(qū)消費類產(chǎn)品的產(chǎn)量極具影響力，因此在討論這種趨勢時，很難不去詳細討論遠東地區(qū)。不過更高集成度和預(yù)先優(yōu)化的設(shè)計也開始在西方工業(yè)控制市場出現(xiàn)。

根據(jù)定義，工業(yè)控制是專注于特定產(chǎn)業(yè)的區(qū)域性領(lǐng)域，與消費類產(chǎn)品相比，工業(yè)控制領(lǐng)域的任何一種項目需要的IC數(shù)都非常少。盡管如此，總的來講，工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)τ诜咒N商而言也是一筆大業(yè)務(wù)。這里的問題在于，隨著半導(dǎo)體公司不斷招收越來越多的應(yīng)屆大學(xué)畢業(yè)生，并將他們派上芯片設(shè)計工程師和應(yīng)用工程師的工作崗位，從事工業(yè)控制開發(fā)工作的新模擬設(shè)計工程師(無論是大公司還是小設(shè)計公司)就存在一定的短缺。與此同時，高級設(shè)計工程師日漸年長，紛紛退休，一方面在經(jīng)驗上造成損失，另一方面加劇了供應(yīng)減少的局勢。

認識到這一點之后，一些半導(dǎo)體公司開始改革。美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)就是一個很好的例子。被德州儀器(TI)收購后，NSC一定會起死回生的其中一個因素就是其WEBENCH在線設(shè)計工具組合產(chǎn)品。從過去來看，這些產(chǎn)品致力于采用功能上相對簡單(與本文討論的IC相比)的IC進行設(shè)計，不過最近發(fā)布針對特定傳感器定制的信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品之后，這種局面發(fā)生了變化。補充新硬件是一種可定制整個信號鏈的新型WEBENCH實現(xiàn)方案。(請參見：Chips Implement Sensor Signal Chains From Nanoamps To Bits，網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/Chips-Implement-Sensor-Signal-Chains-From-Nanoamps-To-Bits.aspx)。

LMP91000就是這種傳感器產(chǎn)品中的一個例子，這是一款面向電化學(xué)傳感應(yīng)用的可編程模擬前端(AFE)，以下網(wǎng)站上有該產(chǎn)品的說明：http://www.national.com/pf/LM/LMP91000.html#Overview。

電源因素

自從開關(guān)穩(wěn)壓器中出現(xiàn)數(shù)字控制功能之后，電源管理IC廠商已經(jīng)走上了與混合信號IC廠商相似的道路。這對于采用中間總線架構(gòu)(IBA)的應(yīng)用而言尤其如此，在這類應(yīng)用中，關(guān)閉模擬領(lǐng)域的控制回路通常被視為一種模擬魔術(shù)。因此Power-One和NSC等芯片廠商通過圖形用戶接口(GUI)支持其“數(shù)字”電源產(chǎn)品，圖形用戶接口則承擔(dān)設(shè)計過程中的所有需在工作臺上完成的設(shè)計工作和大量分析工作。

對于大多數(shù)器件來講，這些產(chǎn)品都是DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器，不過Vicor公司最近發(fā)布了一款名為PowerBench的電源設(shè)計工具，該工具支持從簡單的降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器到完整的多路輸出AC-DC電源的設(shè)計。

混合信號產(chǎn)品示例

接下來我們抽查一下各種半導(dǎo)體公司最近發(fā)布的產(chǎn)品，以此來舉例說明上述各種混合信號芯片。

去年3月，TI發(fā)布了16位和14位雙通道同步采樣逐次逼近(SAR) ADC，這兩款A(yù)DC都帶有獨立控制的內(nèi)部電壓參考，可簡化系統(tǒng)級設(shè)計。16位ADS8363、14位ADS7263和12位ADS7223(圖1)可以提供同類ADC兩倍的每通道吞吐能力，支持高達1Megasample/s的采樣速率。這些ADC的目標應(yīng)用為工業(yè)控制領(lǐng)域，而不是消費類或醫(yī)療應(yīng)用。典型應(yīng)用包括馬達控制、電能質(zhì)量測量、電力自動化以及太陽能和風(fēng)力發(fā)電逆變器。

圖1：Bulletproof的參考設(shè)計對于銷售和應(yīng)用旨在去除設(shè)計特定混合信號應(yīng)用所需硬件的IC至關(guān)重要。這塊針對TI公司面向工業(yè)控制的ADSxx63雙通道SAR的電路板相當(dāng)簡單，因為芯片的使用相對較簡單。

集成兩個2.5V獨立控制的電壓參考的意義在于實現(xiàn)獨立的ADC增益校準和實現(xiàn)可編程增益放大器。此外，這種功能還可以在每個ADC需要不同的增益水平時減少外部信號調(diào)節(jié)的需求。

凌力爾特公司(Linear Technology)的新產(chǎn)品一般都針對汽車應(yīng)用。從高集成度的角度來講，凌力爾特公司面向混合動力汽車/電動汽車(EV)和其它高壓高性能電池系統(tǒng)的LTC6803第二代高壓電池監(jiān)測器可以解決通過串聯(lián)電池組的高壓的問題。多個LTC6803可以在不使用光耦或隔離器的情況下串聯(lián)在一起(圖2)，從而對電池陣列中的每個電池實現(xiàn)精確電壓監(jiān)測。每個LTC6803電池測量IC都包含一個12位ADC、一個精密電壓參考、一個高壓輸入復(fù)用器和一個串行接口。單個LTC6803可以測量多達12個串聯(lián)的獨立電池?？梢詼y量的電池電壓范圍為-300mV至5V，這使得LTC6803能夠監(jiān)測許多不同的化學(xué)電池和超級電容。除了精密測量之外，還可以監(jiān)測每個電池的欠壓和過壓狀況，提供相關(guān)的MOSFET使過度充電的電池放電。此外還有一個5V穩(wěn)壓器、一個溫度傳感器、GPIO線路和熱敏電阻輸入。

圖2：凌力爾特公司針對利基市場的高集成度發(fā)展路線包含了在不采用光耦的情況下監(jiān)測電動汽車電池組狀態(tài)的諸多技術(shù)。

測量汽車的電池陣列有一些獨特的要求，從而催生了一些同樣獨特的解決方案。例如，對于長期的電池組存放，集成式電池管理系統(tǒng)消耗的電流會使電池失去平衡。凌力爾特公司的應(yīng)對方法是采用待機模式，在該模式下汲取的電流不到12微安。此外，由于LTC6803的電源輸入與電池組隔離，因此LTC6803可以汲取獨立電源的電流，在這種情況下，從電池組汲取的電流將不到1微安。除此之外，芯片還必須滿足汽車溫度、環(huán)境和安全標準。

今年1月，ADI發(fā)布了面向心電圖(ECG)系統(tǒng)的模擬前端芯片系列的首款產(chǎn)品。ECG系統(tǒng)可以測量和記錄人體心臟的心電活動(圖3)，實現(xiàn)對出生缺陷、心律失常、心臟瓣膜問題和心臟肌肉的供血不足等疾病的診斷和分析。

圖3：ADI公司用于便攜式ECG的模擬前端可以在滿足嚴格要求的同時，節(jié)省功耗和BOM成本。

ADAS1000 ECG AFE可以省去5電極心電監(jiān)護系統(tǒng)的信號鏈中的50多個元件。該器件還整合了心臟起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能。這是一個通用器件，因為它可以通過配置來優(yōu)化噪聲性能、功耗或數(shù)據(jù)速率。這些指標是家庭、門診和醫(yī)院ECG系統(tǒng)的不同設(shè)計目標。

對于ODM和OEM而言，自然就有相當(dāng)多的設(shè)計支持。評估板包括模擬前端、電源、控制和接口選擇方案。由于模擬前端是唯一的，因此ADI將其與ADI的Blackfin DSP(數(shù)字信號處理器)、單芯片USB隔離器、四通道數(shù)字隔離器、5kV DC-DC轉(zhuǎn)換器，433MHz、868MHz和915MHz ISM波段收發(fā)器和各種DC-DC穩(wěn)壓器整合在一起。

TI還推出了一個面向便攜式ECG系統(tǒng)的模擬前端系列。最新的24位ADS1298R整合了呼吸檢測功能，集成了40多個分立元件(如果不集成的話就需要這么多元件)。該芯片(圖4)的功耗比分立實現(xiàn)方案低95%。片上器件包括八個ADC、八個可編程增益放大器(PGA)、八個有源濾波器以及一個心臟起搏器檢測接口、持續(xù)斷線檢測功能、一個電壓參考和右腿驅(qū)動電路等。在參考設(shè)計中，該芯片與超低功耗DSP配合使用。參考設(shè)計還可以實現(xiàn)示波器、FFT和直方圖顯示，這體現(xiàn)了芯片公司在這些目標混合信號芯片中提供的設(shè)計支持。

圖4：除芯片廠商之外的其它公司會從本文介紹的趨勢中獲益。TI的心電圖產(chǎn)品可與ADI相媲美。評估板可與Fluke公司的這款商業(yè)仿真器配合使用。

集成度有時候也涉及MEMS。ADI在1月推出了具有I2S(Inter-IC Sound，音頻芯片互連)數(shù)字輸出的高性能MEMS麥克風(fēng)ADMP441。(這是產(chǎn)前公告，今年6月開始量產(chǎn))。該公司以前在其iMEMS系列中推出了其它的麥克風(fēng)產(chǎn)品，不過這款新麥克風(fēng)器件不需要進行信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化操作，而是直接提供24位串行數(shù)據(jù)輸出。其規(guī)格如下：頻率響應(yīng)為100Hz至15kHz，SNR為61dBA，電源抑制比(PSRR)為80dBFS。采用4.72×3.76×1.00mm3的封裝。

圖5：集成并不意味著不使用電子元件。ADI將MEMS麥克風(fēng)與其相關(guān)的電子器件集成在一起，實現(xiàn)了一款尺寸極小的耐用設(shè)備。