物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，這些關(guān)鍵的模擬信號鏈產(chǎn)品，介紹你認(rèn)識一下!

【導(dǎo)讀】在當(dāng)前幾乎所有以數(shù)字為中心的系統(tǒng)中，模擬IC仍然是一個關(guān)鍵組件。通常來講，模擬IC市場的增長/下降速度比整個IC市場的增長/下降速度要慢，但2021年的市場情況恰好相反。

今年6月份，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)布了兩條引人關(guān)注的消息：

一是IC Insights在其5月份發(fā)布的(2022 McClean Report)Q2的更新中提到，2021年，Taxes Instruments(TI)憑借141億美元的模擬銷售額和19%的市場份額，繼續(xù)保持其作為全球領(lǐng)先模擬IC供應(yīng)商的穩(wěn)固地位;二是今年下半年全球模擬芯片供貨緊張的問題將出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)，原因是TI表示到第三季度公司芯片產(chǎn)能緊缺情況將得到緩解。

為此，行業(yè)人士將其解讀為：若下半年TI的產(chǎn)能得到提升，則整個模擬芯片行業(yè)的供貨都將得到緩解，芯片價(jià)格也將下跌。

在當(dāng)前幾乎所有以數(shù)字為中心的系統(tǒng)中，模擬IC仍然是一個關(guān)鍵組件。通常來講，模擬IC市場的增長/下降速度比整個IC市場的增長/下降速度要慢，但2021年的市場情況恰好相反。

IC Insights在其(2022 McClean Report)Q1報(bào)告中指出，2020年爆發(fā)的新冠病毒對全球經(jīng)濟(jì)帶來了巨大沖擊，然而，2021年的模擬IC市場卻出現(xiàn)了前所未有的30%激增，與之對應(yīng)的是整個IC市場的增幅為26%。預(yù)計(jì)2022年模擬IC將再次實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的市場增長，增幅達(dá)到12%，總銷售額約為832億美元，出貨量將增長11%，達(dá)到2,387億只(圖1)。

圖1：模擬市場銷售情況及2022年預(yù)測

(圖源：IC Insights)

因突出的增長力度和廣度，去年的模擬IC市場有可能成為一個值得銘記的市場。IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，2021年整個模擬市場的銷售額創(chuàng)下了741億美元的歷史新高。其中，全球前十大模擬產(chǎn)品供應(yīng)商占去了銷售額的68%。強(qiáng)勁的需求合并供應(yīng)鏈中斷問題，致使去年模擬IC的平均售價(jià)(ASP)上漲了6%。在此之前，模擬產(chǎn)品ASP增長的年頭要回溯到17年前的2004年。2022年，IC Insights跟蹤的每個主要通用模擬和特定應(yīng)用模擬市場類別預(yù)計(jì)都會出現(xiàn)銷售增長，比如細(xì)分市場的放大器和比較器約增長7%，汽車特定應(yīng)用模擬IC的增長將高達(dá)17%。

模擬技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)

在很多人的印象中，如今的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)大部分創(chuàng)新都集中在數(shù)字技術(shù)上。從盡人皆知的云計(jì)算，到近年來炙手可熱邊緣智能，這其中數(shù)字技術(shù)的推動作用大家有目共睹。不過，在討論中也許我們都忽略了這樣一個事實(shí)，即物聯(lián)網(wǎng)的邊緣實(shí)際上仍然是模擬的，系統(tǒng)必須借助光、壓力、溫度、位置等檢測方案才能獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。換句話說，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是對模擬源生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列智能處理后所采取的行動，即：模擬部件 + 數(shù)字連接及處理 = 有效的物聯(lián)網(wǎng)部署。

由于模擬技術(shù)位于網(wǎng)絡(luò)的最邊緣，模擬層的質(zhì)量最終決定了系統(tǒng)中其他一切的質(zhì)量。有噪聲的模擬前端會導(dǎo)致數(shù)字信息失真，對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。只有把模擬部分做好，數(shù)字應(yīng)用才會更好。此外，對于控制流程的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，數(shù)字信息也必須在邊緣準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換回模擬信號。盡管設(shè)計(jì)工程師普遍認(rèn)為，為支持物聯(lián)網(wǎng)而開發(fā)的大多數(shù)新產(chǎn)品都是在數(shù)字領(lǐng)域，但在未來的許多年里，模擬技術(shù)仍將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

信號鏈?zhǔn)悄M技術(shù)的基礎(chǔ)，其目的是在實(shí)時(shí)信息分析的基礎(chǔ)上收集和處理數(shù)據(jù)。通常，模擬信號鏈產(chǎn)品是指擁有對模擬信號進(jìn)行收發(fā)、轉(zhuǎn)換、放大、過濾等處理能力的集成電路。按照功能劃分，模擬信號鏈芯片可以分為線性產(chǎn)品、轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品、接口產(chǎn)品、時(shí)鐘和定時(shí)產(chǎn)品等。其中，線性產(chǎn)品主要包括放大器和比較器，轉(zhuǎn)換器指的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等。

模擬信號鏈產(chǎn)品的設(shè)計(jì)考慮

在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感信號與無限變化的物理參數(shù)有關(guān)，比如溫度、光線、壓力、接近度、速度和觸摸，以及流體和液體(包括煙霧、氣體等)等。傳感器輸出的都是幅值較小的電壓或電流信號，很難直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換之前必須先要進(jìn)行信號調(diào)理。這里的信號調(diào)理技術(shù)實(shí)際上就是將傳感器輸出的模擬信號在經(jīng)過放大、濾波、線性化補(bǔ)償、隔離、保護(hù)等措施后，使其適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。采用關(guān)鍵的信號調(diào)理技術(shù)可以將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能和精度提高10倍。

圖2為典型的IoT系統(tǒng)工作框圖。如圖所示，信號鏈從感知模擬世界的傳感器開始，接下來是信號放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口以及時(shí)鐘和定時(shí)電路等。一個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的成功運(yùn)行在很大程度上取決于這些器件的參數(shù)選擇。接下來我們就聊一聊物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器這兩大關(guān)鍵器件的選擇。

圖2：IoT系統(tǒng)工作框圖，其中紅色部分為所涉及的模擬信號鏈產(chǎn)品(圖源：TI)

運(yùn)算放大器的選擇

前文已經(jīng)提到，在收集壓力、溫度、振動和光照等信息，并將其將轉(zhuǎn)移到數(shù)字域之前，確保信號的準(zhǔn)確性非常重要。為了獲得最佳的信噪比(SNR)，我們需要設(shè)計(jì)一個低噪聲模擬前端和一個能夠以高精度捕獲傳感器信號的ADC。雖然現(xiàn)在器件的集成度越來越高，但有時(shí)為了讓設(shè)計(jì)具有更多的可控性和靈活性，工程師們?nèi)匀皇褂脝为?dú)的運(yùn)算放大器而不是集成的模擬前端。目前，市場上主要的運(yùn)算放大器IC供應(yīng)商有ADI、TI、STMicroelectronics(ST)、ROHM、Microchip、Renesas和NXP等，他們向市場上提供了數(shù)以萬計(jì)的產(chǎn)品供設(shè)計(jì)師選擇。

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在尋找最佳運(yùn)算放大器時(shí)，設(shè)計(jì)師一定要充分考慮放大器是否會降低ADC或DAC的性能，同時(shí)還需要考慮信號范圍、增益、靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載以及電源電壓。以下是市場上幾款性價(jià)比較高的運(yùn)算放大器。

ST TSV772運(yùn)算放大器

ST的TSV772運(yùn)算放大器是一種雙運(yùn)放，屬于公司高性能5V運(yùn)放系列，可在2V低電壓下工作，具有軌到軌輸入和軌到軌輸出，增益帶寬積(GBW)20MHz，單位增益穩(wěn)定，壓擺率13V/μs，輸入電壓噪聲7nV/rtHz，4kV ESD防護(hù)能力(HBM)，是一款強(qiáng)大的全能型產(chǎn)品。TSV772的特點(diǎn)是輸出電容為47pF，簡化了作為A/D轉(zhuǎn)換器輸入緩沖器的使用。該器件甚至可以在電池深度放電的情況下運(yùn)行，推薦應(yīng)用包括煙霧探測器、太陽能發(fā)電機(jī)、電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和計(jì)算機(jī)服務(wù)器等。

ADI ADA4077-2雙通道放大器

ADI公司的ADA4077-2雙通道放大器是一種高精度運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)用于過程控制、化學(xué)和環(huán)境監(jiān)測、電機(jī)控制等。在1kHz時(shí)ADA4077-2的典型帶寬為3.9MHz，電壓噪聲為7nV/rtHz。在25℃時(shí)，標(biāo)稱電源電壓為±15Vdc時(shí)的典型功耗僅為400μA。該器件有兩個等級可供偏置和熱漂移使用，為設(shè)計(jì)工程師提供了滿足預(yù)算和封裝要求的靈活性。ADA4077-2被認(rèn)為是為過程控制輸入模塊等應(yīng)用設(shè)計(jì)傳感器接口的理想前端放大器。

TI OPAx320/OPAx320-Q1 COS運(yùn)算放大器

TI公司的OPAx320/OPAx320-Q1 COS運(yùn)算放大器是低功耗、單電源應(yīng)用的理想選擇，具有低噪聲(7nV/rtHz)和高速運(yùn)算特性，非常適用于驅(qū)動采樣ADC，還可用于信號調(diào)理和傳感器放大等應(yīng)用場合。該系列TI運(yùn)算放大器采用了零交越失真的線性輸入級設(shè)計(jì)，在整個輸入范圍內(nèi)具有出色的共模抑制比(CMRR)，典型值為114dB。其輸入共模范圍在正負(fù)電源軌上擴(kuò)展了100mV。輸出電壓的軌內(nèi)典型擺幅小于10mV。OPAx320/OPAx320-Q1的電源電壓范圍較寬，為1.8V至5.5V，在整個供電范圍內(nèi)具有出色的電源抑制比(106dB)。

如果你打算尋找一個小型運(yùn)算放大器。TI的TLV9061為單5.5V，具有軌對軌輸入和輸出擺動功能。該器件價(jià)格不高，尺寸小巧，專門為低壓操作(1.8V至5.5V)設(shè)計(jì)，性能規(guī)格類似于OPAx316和TLVx316設(shè)備。其應(yīng)用包括：電動自行車、煙霧探測器、暖通空調(diào)(HVAC)、電機(jī)控制、可穿戴設(shè)備、傳感器信號調(diào)節(jié)、條形碼掃描儀等。

A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

與一些數(shù)字電路相比，設(shè)計(jì)混合信號和模擬信號會帶來更多的復(fù)雜性。A/D轉(zhuǎn)換器的目的是對輸入進(jìn)行量化，這意味著轉(zhuǎn)換器會引入少量誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的總體性能實(shí)際上是一系列參數(shù)(如熱噪聲、抖動和量化噪聲)的體現(xiàn)。目前市場上有三種最流行的ADC架構(gòu)，分別是逐次逼近(SAR)ADC、∑-Δ ADC和Pipeline ADC，相應(yīng)的產(chǎn)品種類多達(dá)數(shù)千個。要想為特定應(yīng)用選擇合適的ADC似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在IoT設(shè)備中，很大一部分方案可以由逐次逼近(SAR)ADC和∑-Δ ADC來完成。

ADI AD7983模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADI的AD7983模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一款16bit、逐次逼近(SAR)ADC，采用單電源供電。它內(nèi)置一個低功耗、高速、16位采樣ADC和一個多功能串行接口端口。在CNV上升沿，該器件對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進(jìn)行采樣，范圍從0V至REF?；鶞?zhǔn)電壓(REF)由外部提供，并且可以獨(dú)立于電源電壓(VDD)。功耗和吞吐速率呈線性變化關(guān)系。SPI兼容串行接口還能夠利用SDI輸入，將幾個ADC以菊花鏈形式連接到一條三線式總線上，并提供可選的繁忙指示。非常適合電池供電設(shè)備、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用。

TI ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換器

TI的ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一款適和寬帶寬應(yīng)用的24位、144kSPS 8通道同步采樣Δ-ΣADC，它的內(nèi)部集成有多個獨(dú)立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實(shí)現(xiàn)8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式。同時(shí)，ADS1278具有優(yōu)良的AC和DC特性，采樣率最高可以達(dá)128Ks/s，62kHz帶寬時(shí)信噪比可達(dá)111dB，失調(diào)漂移為0.8μV/℃。數(shù)據(jù)輸出可選幀同步或SPI串行接口，每個接口均支持菊花鏈連接，可應(yīng)用于要求嚴(yán)格的多通道信號采集系統(tǒng)，如振動分析、醫(yī)療監(jiān)控、動態(tài)應(yīng)變測量設(shè)備等。

為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，設(shè)計(jì)師還可以選擇使用TI提供的ADS1278EVM-PDK評估模塊，這是一套完整的評估/演示套件，它將ADS1278EVM與用作主板的基于DSP的MMB0板組合在一起。該套件包括主板和ADCPro評估軟件，可與運(yùn)行Microsoft Windows操作系統(tǒng)的個人電腦配合使用，以實(shí)現(xiàn)對ADS1278器件的完整評估。

本文小結(jié)

雖然當(dāng)前的數(shù)字物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備能夠同時(shí)處理多個任務(wù)，但模擬傳感器在大多數(shù)情況下依然僅限于信號增強(qiáng)功能。然而，正是因?yàn)槟M信號的準(zhǔn)確性要求與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用密切相關(guān)，所以也更加體現(xiàn)了模擬技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性。也許這也是模擬和數(shù)字技術(shù)通吃的設(shè)計(jì)師非常搶手的原因。

傳感器、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這些都是收集和傳輸數(shù)據(jù)的器件，它們的存在為物聯(lián)網(wǎng)更廣闊的應(yīng)用前景提供了動力。作為物聯(lián)網(wǎng)的起點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)工程師需要了解，工程上的挑戰(zhàn)是在數(shù)字化之前控制信號保真度、放大和濾波，因此，無論是差分放大器、運(yùn)算放大器還是其他放大器，設(shè)計(jì)師必須要掌握放大器的基本原理。

另一方面，雖然物聯(lián)網(wǎng)中的一些數(shù)字傳感器集成度已經(jīng)做到非常高，集成的ADC既可以降低開發(fā)工作量和成本，又可以減少驅(qū)動設(shè)備所需的功率，但不可否認(rèn)的是本地模擬通?？梢愿鼫?zhǔn)確地表示數(shù)據(jù)源，單獨(dú)的A/D轉(zhuǎn)換器其作用仍然至關(guān)重要。

審核編輯：湯梓紅