Einfacheres Design der Signalketten für die Datenerfassung mit standardisierten, anpassbaren Lösungen

Signalketten sind Bestandteil zahlreicher elektronischer Systeme für Kommunikation, biomedizinische Komponenten, industrielle Automatisierung, Instrumente und Sensoren und vieler anderer Anwendungen. Systemarchitekten und Hardwareentwickler stehen vor zahlreichen logistischen und technischen Herausforderungen, wenn es darum geht, spezifische Anforderungen mit der Notwendigkeit in Einklang zu bringen, den Platzbedarf zu verringern, die Anzahl der Design-Iterationen zu minimieren und die Markteinführung zu beschleunigen. Diese Herausforderungen sprechen für mehr standardisierte, integrierte Lösungen, die dennoch in hohem Maße an die Bedürfnisse der Anwendungen angepasst werden können.

Signalketten umfassen in der Regel digitale und analoge Komponenten, wie Analog/Digital-Wandler (ADC), Operationsverstärker, digitale Isolatoren und anwendungsspezifische Komponenten. Ingenieure und Produktdesigner, die optimale Lösungen entwickeln wollen, müssen bei der Auswahl der Komponenten zahlreiche Kompromisse eingehen, darunter Rauschen, Stromverbrauch, Bandbreite und Kosten.

Viele Entwicklungsteams entwickeln Signalketten zur Datenerfassung für Anwendungen wie automatisierte Testgeräte, Luftfahrt, Maschinenautomatisierung und im Gesundheitswesen für Überwachungs-, Diagnose- und Bildgebungssysteme. Hardware-Trends begünstigen eine hohe Performance bei der präzisen Datenumwandlung und erhöhte Robustheit für komplexe Designs, die oft an thermische und Leiterplattendichtegrenzen stoßen.

Das Erreichen eines höheren Durchsatzes, die Minimierung der Systemleistung und der Schutz und die Ansteuerung der ADC-Eingänge können zu Designkonflikten führen, wenn hochintegrierte kundenspezifische integrierte Schaltungen (ICs) oder diskrete Standardkomponenten verwendet werden, die kostengünstiger sind. Beide Ansätze treiben die Forschungs- und Entwicklungskosten für die Entwicklung hochleistungsfähiger, präziser Signalkettenblöcke für Endanwendungen in die Höhe. Der kundenspezifische Ansatz ist in der Regel kostspieliger, aber die Performance diskreter Bauelemente nimmt über die Betriebstemperatur und die Lebensdauer des Schaltkreises ab.

Analog Devices, Inc. (ADI) löst die wichtigsten Probleme beim Design von Signalketten für die Datenerfassung, indem es die heterogene Integration mittels System-in-Package(SiP)-Technologie nutzt, um eine höhere Dichte, mehr Funktionalität, verbesserte Leistung und eine längere mittlere Zeitdauer bis zum Ausfall (MTF, Mean-Time-to-Failure) zu erreichen. Die μModule®-Präzisionssignalketten von ADI bieten eine kompakte, anpassbare und integrierte Lösung, die das Design vereinfacht, die Leistung verbessert und Entwicklungszeit spart.

Verbesserung der Dichte ohne Leistungseinbußen

Ein Hauptziel fortschrittlicher Präzisionssignalketten besteht darin, die Packungsdichte der Signalkette zu verbessern, ohne die Performance zu beeinträchtigen, da die Entwickler versuchen, mehr Kanäle in denselben Formfaktor einzupassen oder einen ADC-pro-Kanal-Ansatz zu wählen.

Signalketten zur Datenerfassung müssen oft mit mehreren Sensoren mit unterschiedlichen Gleichtaktspannungen und Eingangssignalen verbunden werden. Zu den häufigen Problemen gehören Unausgewogenheit der Schaltung oder eine Fehlanpassung der Rückkopplungs- und Verstärkungswiderstände, die zu einem unerwünschten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Verzerrungen, Verstärkungsfehlern und Eingangsunterdrückungsverhältnissen führen können.

Die μModule-Präzisionssignalketten von ADI integrieren mehrere analoge und digitale Komponenten in ein einziges Modul und nutzen die integrierte Passivtechnologie des Unternehmens, iPassives genannt, mit ADI-Signalkonditionierungs-ICs und -SiPs. iPassives wurde vor einigen Jahren bei ADI entwickelt, um die Beschränkungen und die Komplexität zu überwinden, die in der Vergangenheit mit der Verwendung von separat gefertigten und auf einer Leiterplatte angeschlossenen passiven Komponenten verbunden waren. Damit steht Entwicklern ein flexibles Entwicklungstool zur Verfügung, mit dem sie robuste Systemlösungen mit erstklassiger Leistung und kurzen Entwicklungszyklen erstellen können.

Mit μModule-Lösungen können Entwickler Komponenten erstellen, die Funktionen bereitzustellen, für die früher mehrere diskrete Komponenten in Board-Level-Lösungen erforderlich waren. Dieser Ansatz vermeidet Fehlanpassungen und ermöglicht kleinere Footprints.

Schnellere Markteinführung

Systementwickler können ein höheres Maß an Integration und eine kürzere Markteinführungszeit erreichen, während sie gleichzeitig eine höhere Geschwindigkeit und einen geringeren Stromverbrauch zu einem erschwinglichen Preis gewährleisten. Der μModule-Ansatz ermöglicht Komplettlösungen in platzsparender Bauform und optimiert die Performance und Zuverlässigkeit der Signalkette.

Die μModule-Präzisionssignalketten von ADI zielen darauf ab, die Dichte in einem kleineren Formfaktor zu erhöhen, indem sie erstklassige Bauelemente und fortschrittliche 2,5D/3D-Montageprozesse kombinieren und gleichzeitig ein intelligentes und effizientes Management der Systemkomponenten gewährleisten. Durch die Kombination von Funktionen wie Verstärkung, Filterung und ADC in einem einzigen Modul entfällt die Notwendigkeit, eine komplexe Signalkettenlösung zur Datenerfassung mit einzelnen Komponenten zu erstellen. Dieser Ansatz reduziert die parasitären Eigenschaften der Verbindungen, wie Induktivität, Kapazität und Widerstand, erheblich.

Mit vorgefertigten, gefertigten, charakterisierten und getesteten Kernen können μModule-Präzisionssignalketten von ADI die Entwicklungszeit erheblich reduzieren. Sie werden außerdem mit vorkonfigurierten Signalketten und ADI-Support-Ressourcen, einschließlich Evaluierungsboards und Software-Entwicklungskits, geliefert.

Entwickler können die Parameter und Eigenschaften der Signalkette durch eine intelligente Partitionierung der Komponenten an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen. Einstellbare Verstärkung, Bandbreite, Filteroptionen und andere anpassbare Funktionen ergeben eine vielseitige Plattform, die für verschiedene Designanforderungen geeignet ist.

Anstatt sich mit komplizierten Implementierungen auf Schaltungsebene herumzuschlagen, können sich Systementwickler mit μModulen auf das Design und die Funktionalität auf Systemebene konzentrieren, was ein schnelleres Prototyping und eine schnellere Systemvalidierung sowie eine schnellere Markteinführung innovativer Anwendungen ermöglicht, indem eine aggressivere Planung der Prozesse von der Systemdefinition bis zur Lieferung von Teilen gefördert wird.

Passive Komponenten, die sich während der Herstellung auf die Performance und den Ertrag auswirken, sind in das μModule-Bauteil integriert, was zu geringeren Sekundärkosten führt, z. B. für die Bestückung und Platzierung der Baugruppe, Ertragsverluste bezüglich der Systemplatine und Kalibrierung der Signalkette. Durch die Integration passiver Komponenten in das Leiterplattensubstrat werden temperaturabhängige Fehlerquellen reduziert und gleichzeitig die Anzahl der diskreten Komponenten und Verbindungen auf einer Leiterplatte minimiert, was letztlich die Anzahl der Lötstellen verringert und die Zuverlässigkeit verbessert.

Die μModule ADAQ7980 (Abbildung 1) und ADAQ7988 von ADI sind 16-Bit-ADC-Datenerfassungssysteme, die vier Blöcke zur Signalverarbeitung und -konditionierung in einem 5 mm x 4 mm großen LGA-Gehäuse integrieren. Diese Systeme unterstützen verschiedene Anwendungen, darunter automatisierte Testgeräte, batteriebetriebene Instrumente, Kommunikation, Prozesssteuerung und medizinische Instrumente. Diese Bausteine enthalten die kritischsten passiven Komponenten, wodurch viele der Designherausforderungen, die mit traditionellen Signalketten verbunden sind, bei denen ADCs mit sukzessiven Approximationsregistern (SAR) verwendet werden, entfallen. Außerdem können mehrere Komponenten über einen einzigen 3-Draht-Bus mit einer kompatiblen seriellen Peripherieschnittstelle (SPI) in Reihe geschaltet werden. Alle aktiven Komponenten des SiP wurden von ADI entwickelt, darunter:

• Hochpräziser, stromsparender 16-Bit-SAR-ADC
• ADC-Treiber mit niedrigem Stromverbrauch, hoher Bandbreite und hoher Eingangsimpedanz
• Stabiler Referenzpuffer mit geringem Stromverbrauch
• Ein effizienter Energiemanagementblock

Abbildung 1: μModule ADAQ7980 von ADI (Quelle: Analog Devices, Inc.)

Verwendung präziser μModule-Signalketten

ADIs Portfolio an μModulen zur Präzisionssignalketten-Datenerfassung unterstützt eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Branchen, wie z. B. die folgenden:

Kommunikation. Der ADAQ8092 ist ein zweikanaliges 105 MS/s schnelles 14-Bit-Highspeed-Datenerfassungsmodul für verschiedene Demodulator- und Datenerfassungsanwendungen, wie z. B. Transceiver, Mobilfunk-Basisstationen und Netzwerkinfrastruktur. Der Baustein umfasst eine Signalaufbereitung, einen ADC-Treiber, eine Spannungsreferenz und einen ADC in einem einzigen Gehäuse. Durch die Trennung von HF- und Digitalschaltungen werden elektromagnetische Störungen, die von den digitalen Gegenstücken der rauschempfindlichen HF-Elektronik ausgehen, wirksam abgeschwächt.

Der Baustein bildet eine komplette Signalkette, die alle aktiven und iPassives-Komponenten auf einer Fläche integriert, die sechsmal kleiner ist als die einer vergleichbaren diskreten Lösung. Eingebaute Stromversorgungs-Entkopplungskondensatoren verbessern die Unterdrückungsleistung des Netzteils. Der ADAQ8092 wird mit 3,3 V bis 5 V analog und 1,8 V digital betrieben.

Industrieautomatisierung. Der ADAQ7768-1 ist ein 24-Bit-Präzisionsdatenerfassungsmodul, das Signalaufbereitungs-, -umwandlungs- und -verarbeitungsblöcke enthält. Die Komponente unterstützt verschiedene Eingangstypen (darunter IEPE-Sensoren, Widerstandsbrücken, Spannungs- und Stromeingänge) für zustandsorientierte Überwachungsanwendungen (CbM), die Sensoren zur Ermittlung von Trends, zur Vorhersage von Ausfällen, zur Berechnung der Lebensdauer von Anlagen und zur Gewährleistung der menschlichen Sicherheit nutzen.

Der ADAQ7768-1 kann für den Betrieb nach zwei Methoden konfiguriert werden: durch Änderung der Register über die serielle Peripherieschnittstelle (SPI) oder durch eine einfache Hardware-Pin-Strapping-Methode. Sieben per Pin konfigurierbare Verstärkungseinstellungen bieten einen zusätzlichen dynamischen Systembereich und ein verbessertes Rauschverhalten der Signalkette bei Eingangssignalen mit geringerer Amplitude.

Testsysteme in der Automobiltechnik. Der ADAQ23878 eignet sich für Hardware in the Loop (HiL) - eine Technik digitaler Zwillinge, die für den Test komplexer Echtzeitsysteme wie elektronische Steuergeräte (ECUs), Servolenkungen, Aufhängungssysteme, Batteriemanagementsysteme oder andere Fahrzeugsubsysteme verwendet wird. Er kann unter anderem auch für automatische Prüfgeräte und zerstörungsfreie akustische Emissionsprüfungen verwendet werden.

Der ADAQ23878 vereint mehrere Signalverarbeitungs- und -aufbereitungsblöcke in einer einzigen Komponente, einschließlich eines rauscharmen FDA, eines stabilen Referenzpuffers und eines 18-Bit-Highspeed-SAR-ADC für 15 MS/s. Sein kleines 100-poliges CSP_BGA-Gehäuse (Chip Scale Package Ball Grid Array) mit 9 mm × 9 mm Footprint und 0,8 mm Rastermaß ermöglicht Instrumente mit kompakterem Formfaktor ohne Leistungseinbußen. Eine serielle LVDS-Digitalschnittstelle (Low Voltage Differential Signaling) mit ein- oder zweispurigen Ausgabemodi ermöglicht es dem Benutzer, die Schnittstellen-Datenrate für jede Anwendung zu optimieren.

Fazit

Die digitale Transformation und die Automatisierung treiben die Nachfrage nach Signalkettenlösungen für die Datenerfassung voran, die für anspruchsvolle Anwendungen in den Bereichen Elektrifizierung, Automobil, digitale Gesundheit, Instrumentierung, intelligente Industrie, Energie und Nachhaltigkeit optimiert sind. Präzise μModule-Signalketten von ADI bieten Entwicklern ein optimales Gleichgewicht aus Integration und Flexibilität, ohne die Leistung der Signalkette zu beeinträchtigen. Die Eliminierung vieler diskreter Komponenten verringert das Risiko einer Systemumgestaltung, vereinfacht die Systemstückliste und kann zu einer kürzeren Markteinführungszeit und geringeren Entwicklungskosten führen.