透過標準化、可客製化的解決方案，簡化訊號鏈數據採集設計

訊號鏈是通訊、生物醫學裝置、工業自動化、儀器和感測器等許多應用中眾多電子系統不可或缺的一部分。系統架構人員和硬體設計人員在平衡特定要求與縮小覆蓋區、最小化設計迭代和加速上市時間的需求時，面臨眾多的物流和技術挑戰。這些挑戰需要更加標準化、整合的解決方案，也需高度客製化以滿足應用需求。

訊號鏈通常包括數位和類比組件，例如類比數位轉換器 (ADC)、運算放大器、數位隔離器和應用特定的元件。工程師和產品設計人員建立最佳解決方案時，必須針對組件選擇進行多重權衡，包括雜訊、功耗、頻寬和成本。

許多設計人員會針對自動化測試設備、航空、機器自動化以及醫療保健的監控、診斷和造影系統等應用建立數據採集訊號鏈。為提高複雜設計，硬體通常會強調熱和印刷電路板 (PCB) 密度的限制，以提供先進的精密資料轉換效能和穩健性。

為達到更高傳輸量、將系統功率降至最低，以及保護和驅動 ADC 輸入，在設計產品時可能會猶豫要用高度整合的客戶特定積體電路 (IC) 或更具成本效益的離散標準元件。為最終應用開發高效能、高精密度訊號鏈模組時，這兩種方法均會增加研發成本。客戶特定方法通常成本較高，但離散元件可能會在電路的工作溫度和使用壽命內降額。

Analog Devices, Inc. (ADI) 採用系統級封裝 (SiP) 技術的異質整合方式，解決數據採集訊號鏈的主要設計考量，可達到更高密度、更多功能、增強效能和更長的平均故障間隔時間。ADI 的精密訊號鏈 μModule® 解決方案提供緊湊、可客製化的整合式解決方案，可簡化設計、提升效能並縮短開發時間。

提高密度而不降低效能

設計人員試圖將更多通道納入相同外形尺寸或採用每通道 ADC (ADC-per-channel) 方法，因此先進精密訊號鏈的關鍵目標之一是提高訊號鏈的密度但不對效能產生負面影響。

數據採集訊號鏈通常必須與具有不同共模電壓和輸入訊號的多重感測器介接。常見問題包括電路不平衡或回授和增益電阻不匹配，這可能會導致不當訊噪比 (SNR)、失真、增益誤差和輸入抑制比。

ADI 的精密訊號鏈 μModule 解決方案運用其整合式被動技術 iPassives 以及 ADI 訊號調整 IC 和 SiP，整合多個類比和數位組件至單一模組。ADI 於數年前開發出 iPassives，旨在克服過去採用單獨製造並連接在 PCB 上的離散被動元件的之侷限性和複雜性。可為開發人員提供靈活的設計工具，打造具有同級最佳效能和較短開發週期的強大系統解決方案。

設計人員採用 μModule 解決方案，即可打造看似單一的元件，就能提供原先需要在板級解決方案中使用多個離散組件的功能。這種方法消除不匹配並佔用較小的覆蓋區。

更快速上市

系統設計人員可以取得更高等級的整合度並讓產品更快上市，同時確保以實惠的價格提升速度及降低功耗。採用 μModule 可將完整的解決方案封裝在空間高效率的覆蓋區中，並最佳化訊號鏈的效能和可靠性。

ADI 的精密訊號鏈 μModule 解決方案結合一流的元件和先進的 2.5D/3D 組裝製程，在更小的外形尺寸中提高密度，同時保持系統組件的智慧和高效率管理。結合放大、濾波、ADC 等功能於單一模組，即無需使用獨立的組件製作複雜的數據採集訊號鏈解決方案。此方法可大幅降低互連寄生效應，例如電感值、電容值、電阻值。

ADI 精密訊號鏈 μModule 的核心經預先設計、製造、特徵化、測試，可大幅縮短設計時間。隨附預配置訊號鏈和 ADI 支援資源，包括評估板和軟體開發套件。

組件的智慧分區功能可讓設計人員客製化訊號鏈的參數和特性，滿足特定應用要求。提供可調式增益、頻寬、濾波選項和其他可自訂功能，成為解決各種設計挑戰的多功能平台。

系統設計人員採用 μModule，即無須費力於複雜的電路級實作，能專注於系統級設計和功能，進行更快速的原型設計和系統驗證，並從系統定義至零件交付都能達到更積極的流程調度，以加速創新應用上市。

在製造過程中，影響效能和良率的被動元件將整合至 μModule 元件中，可降低二次成本，例如組裝拾放、系統 PCB 良率損失、現場返回支援和訊號鏈校準。將被動元件整合到 PCB 基板中可減少溫度相依的誤差來源，同時將 PCB 上離散元件和互連件的數量降至最低，進而減少焊點並提高可靠性。

ADI 的 ADAQ7980 (圖 1) 和 ADAQ7988 μModule 是 16 位元 ADC 數據採集系統，整合四個訊號處理和調節模塊至 5 mm x 4 mm LGA 封裝中。這些系統支援各種應用，包括自動測試設備、電池供電儀器、通訊、製程控制、醫療儀器。這些元件採用最關鍵的被動組件，消除與使用連續漸近暫存器 (SAR) ADC 的傳統訊號鏈相關的許多設計挑戰。此外，可以透過相容的序列週邊介面 (SPI)，在一條 3 線匯流排上以菊鏈方式連接多個元件。SiP 中的所有主動元件均由 ADI 設計，包括：

• 高精密度、低功率 16 位元 SAR ADC
• 低功率、高頻寬、高輸入阻抗 ADC 驅動器
• 低功率穩定參考緩衝器
• 高效率電源管理模塊

圖 1：ADI 的 ADAQ7980 μModule (資料來源：Analog Devices, Inc.)

套用精密訊號鏈 μModule

ADI 的精密訊號鏈數據採集 μModules 產品組合支援不同產業的各式應用，包含：

通訊：ADAQ8092 是 14 位元、105 MSPS、高速、雙通道數據採集 μModule，適用於各種解調器和數據採集應用，例如收發器、蜂巢式基地台和網路基礎架構。此元件將訊號調整、ADC 驅動器、參考電壓和 ADC 整合在單一封裝中。將 RF 和數位電路分開可以有效減輕雜訊敏感 RF 電子元件對應數位電路所產生的電磁干擾。

此元件形成一個完整的訊號鏈，整合所有主動和 iPassives 組件，其覆蓋區比同類離散解決方案小六倍。內建電源去耦電容增強電源拒斥效能。ADAQ8092 採用 3.3 V 至 5 V 類比電源和 1.8 V 數位電源運作。

工業自動化：ADAQ7768-1 是 24 位元精密數據採集 μModule，納入訊號調整、轉換、處理模塊。此元件支援各種輸入類型，包括 IEPE 感測器、電阻橋、電壓和電流輸入，適用於運用感測器確定趨勢、預測故障、計算資產壽命並確保人員安全的狀態監控 (CbM) 應用。

使用者可以透過序列週邊介面 (SPI) 或簡單的硬體引腳綁定方法變更暫存器，將 ADAQ7768-1 配置為在兩種裝置配置方法下運作。七個引腳可配置增益設定提供額外的系統動態範圍，並透過較低振幅的輸入訊號，改善訊號鏈雜訊效能。

汽車測試：ADAQ23878 適用於硬體迴路模擬系統 (HiL)，這是一種數位孿生技術，用於測試複雜的即時系統，例如電子控制單元 (ECU)、動力轉向系統、懸吊系統、電池管理系統或任何其他車輛子系統。還可用於自動測試設備和非破壞聲波發射測試應用等。

ADAQ23878 在單一元件中結合多個訊號處理和調節模組，包括低雜訊 FDA、穩定參考緩衝器和高速 18 位元、15 MSPS SAR ADC。具有小型覆蓋區、9 mm × 9 mm、0.8 mm 間距，採用 100 球晶片級封裝球柵陣列 (CSP_BGA)，可在不犧牲效能的情況下讓外形更緊湊。提供序列低電壓差動訊號 (LVDS) 數位介面，具有單通道或雙通道輸出模式，可讓使用者最佳化各應用的介面數據傳輸率。

結論

數位化轉型和自動化推動對訊號鏈數據採集解決方案的需求，這些解決方案針對電氣化、汽車、數位健康、儀表、智慧工業、能源和永續發展領域的高要求應用進行最佳化。ADI 精密訊號鏈 μModule 為設計人員提供整合度和靈活性的最佳平衡，且不會影響訊號鏈效能。移除許多離散元件可以降低系統重新設計的風險、簡化系統物料清單，並可以加速上市及降低開發成本。