ADI在数据采集系统领域的新技术与发展趋势

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ADI在数据采集系统领域的新技术与发展趋势 [复制链接]

数据采集系统是对传感器或所需测量或处理信号进行采集、数字化、存储、分析和显示的一个完整信号处理链路。图1是一个典型的数据采集系统。

　　数据采集系统对模拟器件提出的挑战
　　众所周知，近20年来，与数据采集系统相关的PC技术及数字信号处理技术得到了飞速的发展，处理速度提高了三个数量级，PC总线的带宽获得了500倍的提高，同时系统工程师的设计难度、系统设计成本都随着技术的进步和工艺的提高大大降低。另外，USB和以太网接口等接口技术正在数据采集系统中得到越来越广泛的使用。PC、笔记本电脑甚至PDA基本都配有以太网、USB或IEEE 1394接口，便携式数据采集系统越来越得到用户的青睐。这些数字信号处理技术的发展对数据采集系统中模拟信号的处理能力提出了挑战。为了使数据采集系统整体性能获得提升，模拟器件也正向着高速度、高精度、低功耗、小封装和低成本的方向发展。以NI公司的数据采集产品为例，NI公司最新的高性能M和S系列产品使用的是一个或多个16位或更高分辨率的ADC，采样速率大于1MSPS，PXI-5105则使用了8个12位分辨率、60MSPS采样率同时进行采样的ADC。而在八十年代后期的数据采集产品中使用的仅是单个12位分辨率、10KSPS的ADC，而且新产品相对于老产品，成本会更低。
　　ADI在数据采集系统领域的新技术和产品
　　针对更高性能和多种多样的数据采集系统对模拟器件提出的要求，ADI一直在研发上投入大量资金，在技术上不断创新并倾听客户的需求，创造出更新的技术和工艺，并生产出更高性能和更适合客户使用的产品。图2是典型数据采集系统的信号处理链路。在这个信号处理链路中，传感器、放大器、多路复用器、模数转换器(ADC)、隔离器等模拟器件的性能直接决定了数据采集系统的整体性能。ADI在这些器件的技术和工艺方面都拥有专利，并提供基于这些先进技术的多种产品。下面将会介绍这些新技术及相关产品。

　　iCMOS工艺及产品
　　iCMOS(industrial CMOS)是ADI在工业领域推出的新工艺。这种iCMOS制造工艺能使采用亚微米工艺尺寸的芯片承受高达30V的电压，如图3所示。其中可选的漏极扩展允许工作电压高达50V。除了高压CMOS外，iCMOS工艺技术包括高压、完全互补双极工艺器件，因此iCMOS能够集合互补双极工艺的高性能、CMOS工艺的高效率以及高电压等多种优势。iCMOS工艺的主要特点是它能使单元电路与衬底之间或单元电路与单元电路之间完全隔离。这就意味着通过对同一单芯片施加多种电源电压，一颗单芯片能实现5V CMOS电路和16V、24V或30V高电压的CMOS电路混合和匹配。因此，按照ADI公司的iCMOS工业制造工艺制造的模拟IC允许工业设备开发商采用亚微米尺寸单片集成电路制造工艺将现代数字逻辑电路与高速模拟电路集成在一起，因此iCMOS器件可以实现更高的性能、更高的集成度、更低的功耗并且其小封装尺寸是任何其他同类高电压IC都未曾达到的。

　　基于iCMOS工艺，ADI推出了模数转换器、数模转换器、运算放大器、模拟开关等一系列新产品。AD761x和AD763x就是基于iCMOS工艺的16位和18位分辨率、750KSPS采样率的PulSAR?誖系列ADC，以满足工业客户对更高效率和更低成本的数据转换器的需要。对于数据采集系统来说，客户通常需要电平搬移和增益级来满足不同输入范围的双极性或单极性模拟输入信号的需要。这种前端信号调理通常是通过外部设置或者编程来实现，是费时和高成本的方法。通过使用ADI专利的iCMOS工业工艺技术，只需要对ADC内部寄存器进行编程，即可非常灵活地实现四种输入范围的设置(单极性0~5V，单极性0~10V，双极性-5V~+5V， 双极性-10V~+10V)并且无数据延迟。这样，省去了前端信号调理电路，很大程度上节省了成本，缩小了电路板尺寸，降低了设计复杂度。功能和性能的结合以及50%芯片尺寸的减小和同类产品一半的价格都是前所未有的。
　　基于iCMOS工艺，ADI为工业和数据采集应用推出了一系列多路复用器和开关产品——ADG12xx和ADG14xx。它们可以工作在±12V或±15V高电源电压下。ADG14xx的导通电阻小于5?赘，导通电阻的平坦度小于0.5?赘。相对于工业界中标准导通电阻缩小了约85%，因此减小了开关过程引入到信号中的失真。ADG12xx的关断电容小于2pF，电荷注入小于1pC，是工业界具有最低电容和电荷注入的开关，非常适合要求低毛刺和快速建立时间的数据采集系统，从而提高了数据采集系统的速度。同时，iCMOS还使这些产品的封装和功耗大大降低。以ADG1233为例，它是三个SPDT开关，16脚4mm×4mm LFCSP封装，它的小封装与同类产品相比节省电路板面积77%，而且超低的功耗（<0.03?滋W）使它也适合于便携式设备应用。

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AD8250/1是基于CMOS工艺的数字可编程仪表放大器。对于数据采集系统来讲，可数字编程的增益能应对不同范围的输入信号，简化系统的设计。同时，AD8250/1具有G欧姆数量级的输入阻抗以及超低的失真性能使得它可以很好地使前端传感器与后端ADC相接口。它还具有12MHz的带宽，0.01%的建立时间0.5?滋s，1?滋V/°C和10ppm/°C的失调电压和增益漂移，DC~50kHz的80dB(G=1)的共模抑制比，这些特性都使它成为数据采集系统的优选。　　iPOLAR工艺及产品
　　ADI的iPOLARTM制造工艺的推出代表近20年来业界对36V双极型工艺进行的最重大的再设计。这种新的iPOLAR工艺适合于需要耐高电压双极型模拟器件的工业应用，采用iPOLAR工艺的芯片面积比传统的双极型工艺减小75％，功耗减小50%，同时具有非常高的性能和功能。它们为工业系统设计工程师提供了一批新的采用非常小的SOT-23封装的低噪声、低成本器件。ADI公司开发的iPOLAR 36V工艺借鉴了多年积累的双极型工艺设计经验，通过采用一种拥有专利权的深沟道隔离方案使晶体管尺寸降至最小而无需折衷性能。其实现方法是在器件和衬底之间采用一种结隔离方案，而不采用需要掩埋氧化层晶片（SOI衬底）的全介电隔离（DI）工艺。虽然把深沟道隔离方案与大面积衬底集成在一起提出一项额外的工艺开发挑战，但是与DI工艺相比，其电路优势是很明显的。与SOI(绝缘体上硅)晶片工艺相比，iPOLAR工艺除了显著降低了成本以外，还采用大面积衬底来为有源晶体管提供改进的热传导性能，从而在更宽的温度和电压范围内改善了晶体管的特性。图4是基于iPOLAR工艺制造的晶体管，其芯片面积比老工艺减小75％，从而使电路足够小以便适合SOT-23封装。在放大器IC的情况下，所节省的面积允许设计工程师增加一些诸如偏置电流抵消和待机功能。

　　iPOLAR工艺除了减小管芯面积，还使得NPN和PNP两种晶体管的带宽（FΤ）都至少达到750MHz甚至更高，从而显著提高了标准36V双极型器件的性能。另外，采用iPOLAR工艺制造的高性能精密双极型器件没有使用多发射极结构以便得到最好的1/f噪声性能，同时精心制造放入基射结以避免早期双极型工艺中经常会出现的猝发（或称“爆米花”）噪声。ADI公司还改善了不同晶体管相结合的“模拟”性能，采用器件匹配和新的射极－基极－集极体系结构来更好地控制重要的电路参数，例如失调电压和噪声。
　　基于iPolar工艺的放大器产品AD8677是广泛应用的OP07的升级产品，它改进了相位裕量和稳定性，采用SOT-23封装，节省PCB面积75%，功耗降低50%，并且精度和噪声都得到了提高。ADA4004是基于iPolar工艺的高精密、低噪声的放大器。它的输入失调电压为40?滋V，噪声密度只有1.8nV/■，6Hz的1/f噪声转折频率，并且功耗只有1.7mA/amplifier。单运放提供5脚SOT封装，因此它是应用在要求非常高直流精度、超低噪声数据采集系统的最佳产品。
　　iCoupler和isoPower技术
　　在数据采集系统中，为了保证采集设备以及操作人员的安全，通常需要进行信号的电气隔离。同时，隔离还可以消除不同测量模块之间因为存在地回路造成地电压差导致的测量误差。传统的隔离方式是使用模拟隔离，模拟隔离的限制是非线性、温度漂移、高功耗、大尺寸和高成本。针对模拟隔离的种种局限性，ADI公司推出了全新的数字隔离技术——iCoupler技术。iCoupler技术是一种基于变压器的隔离方案，其结合了光耦合器、变压器和半导体技术的优点。该技术通过在半导体上集成微型变压器来提供隔离，通过在变压器线圈之间使用特殊的隔离层达到安全识别隔离。它避免了光耦合器中电光转换的不利特性，与光耦合器相比，iCoupler产品降低了功耗，提高了数据速率并且增强了定时精度，而且还能提供高达5kV的额定隔离电压。iCoupler技术如图5所示。因为将微型变压器结构集成在半导体衬底上，所以iCoupler产品能够实现高度集成，从而能增加功能、减小尺寸并且降低成本。ADI公司使用其专利技术“刷新”电路解决了变压器中常见的DC正确性的问题，这种技术在没有输入信号变化时按照正确的输入状态更新输出。

　　isoPower技术增强了iCoupler技术的可扩缩性和灵活性，它是ADI公司数字隔离产品系列的最新发展。isoPower是指ADI公司使用 iCoupler技术通过集成的DC/DC转换器提供隔离电源的技术。isoPower采用与iCoupler产品中相同的基本技术，在完整的集成开关电源中使用集成的变压器线圈，内置稳压器可确保输出电压稳定。通过使用iCoupler技术，isoPower可以与标准iCoupler设计集成在一起以构成包括隔离电源和隔离信号的完整集成解决方案。集成的DC/DC转换器可代替系统中的多个离散器件，从而减小尺寸并降低设计复杂度，因此缩短产品上市的时间。
　　iCoupler产品提供各种通道配置和性能级别。这些产品由单、双、三和四通道的2.5kVRMS系列和5.0kVRMS隔离器系列组成，每一款都提供多种性能/价格选择。是集成DC/DC变换器的双通道数字隔离器，该DC/DC变换器提供带隔离的50mW、+5V稳压电源。这样在低功耗隔离设计中无需单独的隔离DC/DC变换器。
　　以上是ADI推出的几项新技术以及相关的产品。ADI公司致力于工业仪表领域已有40多年的历史，此领域的客户占ADI客户基础的70%，占ADI年收入的40%。针对数据采集系统的发展和客户需求，ADI不断扩大研发投入，为数据采集系统提供更先进的技术和产品。然而，随着半导体工艺和技术的发展，各大半导体厂商在新产品中不断追求高精度(分辨率)、高速度和低功耗，来满足各种各样的需求。但是，这三个最基本的指标却是相互制约、相互限制的。以模数转换器为例，理论上，通过提高采样速率可以得到更高的分辨率，采样率提高2N可以得到N比特分辨率的提高，但是这样是以提高功耗为代价的。同样，为了提高转换速率也需要提高工作电流。因此，如何使这三个指标均衡，是对半导体模数转换器的新挑战和新要求。公式(1)是半导体业界对模数转换器整体性能提出的一个新的通用的指标，这个数值越小，表明模数转换器的性能越好。

　　在此基础上，ADI在新产品和新技术的开发上不会一味追求极端的高速度、高精度和低功耗，而是综合考虑客户的需求，在保证一定精度和速度的情况下，尽量降低功耗，使整体性能提高，从而满足客户的需求。