工業(yè)、儀器儀表、光通信和醫(yī)療保健行業(yè)中越來(lái)越多的應(yīng)用使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這導(dǎo)致印刷電路板 （PCB） 密度和熱功耗挑戰(zhàn)增加。這些應(yīng)用中對(duì)提高通道密度的需求推動(dòng)了對(duì)高通道數(shù)、低功耗和緊湊外形集成數(shù)據(jù)采集解決方案的需求。這些應(yīng)用還需要精確的測(cè)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和便攜性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在性能、熱穩(wěn)定性和PCB密度之間做出權(quán)衡，以保持最佳平衡，他們不斷尋求創(chuàng)新方法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，同時(shí)最大限度地降低總體物料清單（BOM）成本。本文重點(diǎn)介紹多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素，并重點(diǎn)介紹集成多路復(fù)用輸入ADC解決方案，以解決光收發(fā)器、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和其他便攜式儀器等空間受限應(yīng)用的這些技術(shù)挑戰(zhàn)。所提出的低功耗解決方案采用集成式多路復(fù)用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS PulSAR ADC AD7682/AD7689，采用微型2.39 mm×2.39 mm晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCSP）封裝，可節(jié)省60%以上的電路板空間，以應(yīng)對(duì)提高通道密度和電池供電便攜式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，同時(shí)提供靈活的配置和精密性能。

多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用不同類型的分立單通道或集成多路復(fù)用和同步采樣模擬信號(hào)鏈，根據(jù)應(yīng)用要求與各種傳感器類型（如溫度、壓力、光學(xué)、振動(dòng)等）接口。例如：將多個(gè)輸入通道多路復(fù)用到單個(gè)ADC，使用單獨(dú)的采樣保持放大器，并將它們多路復(fù)用到單個(gè)ADC，并使用單獨(dú)的ADC允許同時(shí)采樣每個(gè)通道。在第一種情況下，通常使用逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），如圖1所示。它可顯著節(jié)省功耗、空間和成本，其中各個(gè)通道可能需要在輸入端使用低通抗混疊濾波器，并且其通道切換和排序與ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間正確同步。在第二種情況下，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率除以同時(shí)采樣的通道數(shù)，但采樣通道之間的恒定相位仍然可以保持。如圖3所示，某些應(yīng)用需要每個(gè)通道的專用放大器和ADC，用于同時(shí)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，以獲得更高的每通道采樣速率，并以犧牲額外的面積和功耗為代價(jià)保留相位信息。同步采樣ADC通常用于自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、電力線監(jiān)控和多相電機(jī)控制，這些設(shè)備需要以更高的每通道吞吐速率連續(xù)采樣，以保留通道之間的相位信息，以實(shí)現(xiàn)精確的瞬時(shí)測(cè)量。

圖1.簡(jiǎn)化的多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈案例I.

圖2.簡(jiǎn)化的多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈案例II.

圖3.簡(jiǎn)化的多通道數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈案例III.

多路復(fù)用的主要優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)通道所需的ADC數(shù)量更少，從而減少了空間、功耗和成本。但是，多路復(fù)用系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率是單個(gè)ADC吞吐速率除以采樣通道數(shù)。SAR ADC 具有低延遲和動(dòng)態(tài)功耗隨吞吐量調(diào)節(jié)的固有優(yōu)點(diǎn)。它們通常用于通道多路復(fù)用架構(gòu)，非常適合檢測(cè)和監(jiān)控功能。光收發(fā)器模塊中使用的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要高通道密度，可穿戴醫(yī)療設(shè)備需要小尺寸和低功耗，其中來(lái)自多個(gè)傳感器的信號(hào)需要監(jiān)控，并將多個(gè)輸入通道多路復(fù)用到單個(gè)或多個(gè)ADC中。多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是，當(dāng)輸入切換到下一個(gè)通道時(shí)，它需要對(duì)接近滿量程幅度的階躍輸入做出快速響應(yīng)，以最大限度地減少任何建立時(shí)間或串?dāng)_問(wèn)題。以下部分介紹了基于SAR架構(gòu)的多路復(fù)用輸入ADC的實(shí)際用例，用于光收發(fā)器和可穿戴電子設(shè)備。它解釋了為什么AD7689非常適合這些類型的應(yīng)用。

光收發(fā)器

100 Gbps光收發(fā)器市場(chǎng)在未來(lái)十年的高速相干光傳輸方面具有獨(dú)特的增長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。光收發(fā)器面臨的主要挑戰(zhàn)是采集和處理更寬帶寬的信號(hào)，或者以更低的功耗和更小的尺寸多路復(fù)用多個(gè)輸入通道。當(dāng)今收發(fā)器的尺寸、功耗和成本結(jié)構(gòu)最初是為長(zhǎng)途應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，限制了它們?cè)趯?duì)成本更敏感的城域網(wǎng)中的使用。城域網(wǎng)包括：500公里至1000公里的城域網(wǎng)、100公里至500公里的城域核心區(qū)和100公里的城域網(wǎng)接入<100公里的應(yīng)用。由于城域網(wǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，空間溢價(jià)很高，使得線卡密度極其重要，因此，在更小的占地面積中實(shí)現(xiàn)低成本光線卡或可插拔模塊的途徑對(duì)于相干應(yīng)用變得越來(lái)越重要。

在光網(wǎng)絡(luò)中，隨著每通道比特率從10 Gbps增加到100 Gbps或更高，光纖的非理想性會(huì)嚴(yán)重降低信號(hào)質(zhì)量并影響其傳輸性能。在長(zhǎng)距離光網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)光纖損傷導(dǎo)致的光噪聲、非線性效應(yīng)和色散方面受到懲罰時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)技術(shù)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些重大挑戰(zhàn)，40 Gbps 和 100 Gbps 光收發(fā)器的各種制造商使用相干技術(shù)，為城域長(zhǎng)距離、長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)提供更高的數(shù)據(jù)速率連接和最大覆蓋范圍。相干技術(shù)通常將多級(jí)信號(hào)格式和相干檢測(cè)相結(jié)合，使用雙極化、正交、相移鍵控（DP-QPSK）來(lái)優(yōu)化信號(hào)調(diào)制，從而在更高的數(shù)據(jù)速率下不受光纖損傷的影響，并使100 Gbps傳輸在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行。下一代 100 Gbps（及以上）數(shù)據(jù)速率光收發(fā)器將需要更低的功耗和微型外形，以增加通道密度，從而顯著節(jié)省空間、功耗和成本。根據(jù)要求，光學(xué)系統(tǒng)中的通道數(shù)通常在 8 到 64 個(gè)之間變化。元件放置和走線布線對(duì)于PCB設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)變得突出，特別是對(duì)于高通道密度系統(tǒng)。

通用光模塊的簡(jiǎn)化框圖如圖4所示，其中包括發(fā)射器、接收器、micro-ITLA（集成可調(diào)諧激光器組件）和數(shù)據(jù)采集組件。圖5顯示了微型ITLA的簡(jiǎn)化框圖，微型ITLA是一種控制快速波長(zhǎng)切換的寬帶電子可調(diào)諧激光設(shè)備。發(fā)射器包括一個(gè)馬赫曾德爾驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器，用于控制現(xiàn)有激光的振幅或強(qiáng)度。多路復(fù)用輸入ADC通常用于控制和監(jiān)控功能，以數(shù)字化來(lái)自光模塊和微型ITLA中多個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

圖4.光學(xué)模塊的簡(jiǎn)化框圖。

圖5.微集成可調(diào)諧激光器組件的簡(jiǎn)化框圖。

使用可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)

典型可穿戴電子設(shè)備的高級(jí)框圖如圖6所示。現(xiàn)代可穿戴電子設(shè)備集成了各種傳感器，以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控多種人體生物特征。它們提供靈活的用戶界面，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通過(guò) Wi-Fi 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€(gè)人智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦。它們使用生物電勢(shì)、生物阻抗或光學(xué)傳感器來(lái)獲取有關(guān)多種生命體征的信息，例如心率、呼吸頻率和血液中的氧飽和度水平 （SpO2).聲學(xué)傳感器用于提取有關(guān)血壓和飲食活動(dòng)的信息，溫度傳感器用于測(cè)量體溫。基于MEMS的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器（加速度計(jì)）用于跟蹤日常身體活動(dòng)。來(lái)自不同傳感器的信號(hào)需要模擬信號(hào)調(diào)理，然后多路復(fù)用到ADC中。某些信號(hào)可能也需要同時(shí)采樣，具體取決于系統(tǒng)。然后，ADC將這些信號(hào)數(shù)字化，處理器或微控制器最終對(duì)其進(jìn)行后處理，以提取有關(guān)許多生理測(cè)量的信息。

圖6.可穿戴電子設(shè)備的簡(jiǎn)化框圖。

心電圖（ECG）傳統(tǒng)上用于監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)，這對(duì)于生理監(jiān)測(cè)和心臟診斷至關(guān)重要。然而，智能可穿戴系統(tǒng)使用光學(xué)和生物阻抗傳感器，允許將心率監(jiān)測(cè)器集成到可穿戴電子設(shè)備中，如腕戴式手表、手環(huán)或活動(dòng)追蹤器。

在光學(xué)系統(tǒng)中，快速閃爍的紅外光通過(guò)皮膚表面?zhèn)鬏敚?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電探測(cè)器測(cè)量紅細(xì)胞吸收的光。模擬前端對(duì)這個(gè)微小信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)和數(shù)字化，然后將其進(jìn)行后處理以提取有關(guān)多個(gè)生理變量的信息，例如心率、呼吸頻率和SpO。2使用光電容積脈搏波 （PPG） 技術(shù)。

與其他技術(shù)（如光學(xué)）相比，生物阻抗傳感器消耗的功率要少得多，從而延長(zhǎng)了電池壽命。生物阻抗傳感器可用于測(cè)量呼吸頻率或皮膚阻抗。正弦信號(hào)通過(guò)電極注入皮膚（身體組織），并測(cè)量、數(shù)字化和后處理流過(guò)的微小電流，以準(zhǔn)確解釋各種生理信號(hào)，如呼吸頻率、皮膚電導(dǎo)率或肺部水分。

這些設(shè)備需要高度集成、非常靈敏、經(jīng)濟(jì)高效、高能效的電池供電解決方案，以適應(yīng)小型化模塊。它們必須可靠、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)多個(gè)生理變量，同時(shí)提高對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影和外部環(huán)境條件的免疫力，否則它們會(huì)用噪聲掩蓋真實(shí)信號(hào)，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。因此，ADC具有良好的噪聲性能非常重要，過(guò)采樣或平均通常用于改善整體動(dòng)態(tài)范圍。目標(biāo)輸入頻段為直流至250 Hz，因此ADC采樣速率接近每秒幾千采樣（kSPS）。

集成多路復(fù)用輸入 4 通道/8 通道、16 位、250 kSPS ADC

AD7682/AD7689是業(yè)界領(lǐng)先的集成式、多路復(fù)用輸入4通道/8通道、16位、250 kSPS SARADC，采用ADI公司專有的0.5 μm CMOS工藝制造。集成的 4 通道/8 通道低串?dāng)_多路復(fù)用器在相鄰?fù)ǖ乐g引入最小的失配，并允許順序采樣。這些ADC允許選擇極低溫度漂移的內(nèi)部2.5 V或4.096 V精密基準(zhǔn)電壓源、外部基準(zhǔn)電壓源或外部緩沖基準(zhǔn)電壓源，板載溫度傳感器監(jiān)控ADC的典型內(nèi)部溫度。這消除了對(duì)外部元件的需求，大大節(jié)省了PCB面積和BOM成本。它們包括一個(gè)通道序列器，可用于將通道掃描為單個(gè)或成對(duì)通道，內(nèi)部溫度傳感器以重復(fù)方式啟用或禁用。它提供靈活的串行數(shù)字接口，與 SPI、MICROWIRE、QSPI 和其他數(shù)字主機(jī)兼容。其 14 位內(nèi)部配置寄存器允許用戶選擇各種選項(xiàng)，包括多個(gè)要采樣的通道、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器和通道序列器。該接口允許在轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行 4 線讀取、轉(zhuǎn)換后讀取以及帶或不帶繁忙指示的跨轉(zhuǎn)換模式讀取。AD7682/AD7689非常適合高通道密度應(yīng)用，如光收發(fā)器、可穿戴醫(yī)療設(shè)備和其他用于精密檢測(cè)和監(jiān)控的便攜式儀器。

圖7所示為多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)化AD7689框圖，提供易于使用的靈活配置選項(xiàng)和精密性能。它解決了與通道切換、排序和建立時(shí)間相關(guān)的復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題，并節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

圖7.AD7689典型應(yīng)用圖（未顯示所有連接和去耦）。

對(duì)于多通道、多路復(fù)用應(yīng)用，一些設(shè)計(jì)人員使用低輸出阻抗緩沖器來(lái)處理多路復(fù)用器輸入的反沖，具體取決于所使用的吞吐速率。SAR ADC（數(shù)十MHz）和ADC驅(qū)動(dòng)器（數(shù)十至數(shù)百M(fèi)Hz）的輸入帶寬高于采樣頻率，而所需的輸入信號(hào)帶寬通常在數(shù)十Hz至數(shù)百kHz范圍內(nèi)。因此，根據(jù)系統(tǒng)要求，多路復(fù)用器輸入端可能需要單極點(diǎn)、低通RC抗混疊濾波器，以消除不需要的信號(hào)（混疊）折回到目標(biāo)帶寬，從而限制噪聲并減少建立時(shí)間問(wèn)題。應(yīng)根據(jù)以下權(quán)衡仔細(xì)選擇每個(gè)輸入通道使用的RC濾波器的值，因?yàn)檫^(guò)多的頻帶限制會(huì)影響建立時(shí)間并增加失真;如果電容很大，將有助于衰減多路復(fù)用器的反沖，但它也會(huì)通過(guò)降低其相位裕量使先前的放大器級(jí)不穩(wěn)定。對(duì)于在變化電壓下具有高Q值、低溫度系數(shù)和穩(wěn)定電氣特性的RC濾波器，推薦使用C0G或NP0型電容器。應(yīng)選擇合理的串聯(lián)電阻值，以保持放大器穩(wěn)定并限制其輸出電流。電阻不能太大，否則ADC驅(qū)動(dòng)器在多路復(fù)用器反沖后將無(wú)法為電容充電。

小尺寸

AD7682/AD7689現(xiàn)提供2.39 mm×2.39 mm引腳兼容的晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCSP），與現(xiàn)有的4 mm× 4 mm引腳框架芯片級(jí)封裝（LFCSP）或其他同類競(jìng)爭(zhēng)器件相比，其外形尺寸縮小了60%以上，可在較小的系統(tǒng)尺寸內(nèi)提高電路密度。圖 8 將其 WLSCP 的小型化尺寸與標(biāo)準(zhǔn) 6 毫米鉛筆的尺寸進(jìn)行了比較。

圖8.AD7682/AD7689晶圓級(jí)尺寸比較，采用標(biāo)準(zhǔn)鉛筆的芯片級(jí)封裝。

AD7682/AD7689 WLCSP芯片的有效側(cè)是反相的，可以使用焊球連接到PCB，PCB組裝后的尺寸如圖11所示。PCB組裝后，芯片表面和基板之間的實(shí)際分離（支座）隨著印刷在基板上的焊絲網(wǎng)數(shù)量和焊盤直徑而變化。

圖9.AD7682/AD7689 PCB組裝后的WLCSP尺寸。

低功耗

AD7682/AD7689需要模擬和數(shù)字內(nèi)核電源（VDD） 和一個(gè)數(shù)字輸入/輸出接口電源 （VIO） 用于與 1.8 V 和 V 之間的任何邏輯直接接口DD.五世DD和 VIO引腳也可以連接在一起，以節(jié)省系統(tǒng)中所需的電源數(shù)量，并且它們與電源排序無(wú)關(guān)。由 5 V （VDD） 和 1.8 V （VIO），其功率與吞吐速率成線性關(guān)系，功耗非常低——采用5 V外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，100 SPS時(shí)典型值約為1.7 μW，250 kSPS時(shí)典型值約為12.5 mW，如圖10所示。這使得ADC具有高能效，非常適合低至幾Hz的高采樣率和低采樣速率以及便攜式和電池供電系統(tǒng)。該器件的主要特性之一是，它在每個(gè)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)自動(dòng)關(guān)斷，待機(jī)電流非常低，通常僅為50 nA，從而在器件未使用時(shí)節(jié)省電池電量，從而延長(zhǎng)電池壽命。

圖 10.AD7682/7689工作電流與吞吐速率的關(guān)系

精密性能

對(duì)于需要多個(gè)AD7682/AD7689器件的應(yīng)用，使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓緩沖器緩沖外部基準(zhǔn)電壓更有效，從而降低SAR轉(zhuǎn)換串?dāng)_。最佳SNR采用5 V外部基準(zhǔn)電壓源可實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮?nèi)部基準(zhǔn)電壓源限制為4.096 V。在以250 kSPS全速運(yùn)行時(shí)，采用5 V外部基準(zhǔn)電壓源，輸入音調(diào)為2 kHz，具有±1.5 LSB，信噪加失真比（SINAD）為~93 dB，有效位數(shù)（ENOB）為~15.2位，具有出色的交流和直流性能。圖11顯示了在給定外部基準(zhǔn)電壓下SNR、SINAD和ENOB的典型性能。

圖 11.AD7682/7689 SNR、SINAD 和 ENOB 與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系

結(jié)論

下一代可插拔光收發(fā)器模塊和其他便攜式系統(tǒng)需要采用小尺寸、低成本的高能效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD7682/AD7689具有業(yè)界領(lǐng)先的集成度和精密性能，支持各種傳感器接口，使設(shè)計(jì)人員能夠在滿足嚴(yán)格用戶要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)差異化。與現(xiàn)有的LFCSP和競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，這種高能效集成ADC解決方案可節(jié)省60%以上的空間，非常適合高采樣率和低采樣速率應(yīng)用，從而解決了空間受限應(yīng)用中更高的電路密度和熱功耗挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷