混合信號集成讓模擬設計人員進(jìn)入新角色

Samplify公司實(shí)現這一飛躍的途徑是面向ODM進(jìn)行優(yōu)化，不過(guò)這不是無(wú)晶圓廠(chǎng)公司唯一可行的辦法。蘇格蘭公司W(wǎng)olfson Microelectronics表示，它正在尋求將其編解碼器用在大公司的參考設計板的機會(huì )，從而能將他們的產(chǎn)品賣(mài)給OEM。

中國以外的地區

由于遠東地區消費類(lèi)產(chǎn)品的產(chǎn)量極具影響力，因此在討論這種趨勢時(shí)，很難不去詳細討論遠東地區。不過(guò)更高集成度和預先優(yōu)化的設計也開(kāi)始在西方工業(yè)控制市場(chǎng)出現。

根據定義，工業(yè)控制是專(zhuān)注于特定產(chǎn)業(yè)的區域性領(lǐng)域，與消費類(lèi)產(chǎn)品相比，工業(yè)控制領(lǐng)域的任何一種項目需要的IC數都非常少。盡管如此，總的來(lái)講，工業(yè)控制領(lǐng)域對于分銷(xiāo)商而言也是一筆大業(yè)務(wù)。這里的問(wèn)題在于，隨著(zhù)半導體公司不斷招收越來(lái)越多的應屆大學(xué)畢業(yè)生，并將他們派上芯片設計工程師和應用工程師的工作崗位，從事工業(yè)控制開(kāi)發(fā)工作的新模擬設計工程師(無(wú)論是大公司還是小設計公司)就存在一定的短缺。與此同時(shí)，高級設計工程師日漸年長(cháng)，紛紛退休，一方面在經(jīng)驗上造成損失，另一方面加劇了供應減少的局勢。

認識到這一點(diǎn)之后，一些半導體公司開(kāi)始改革。美國國家半導體公司(NSC)就是一個(gè)很好的例子。被德州儀器(TI)收購后，NSC一定會(huì )起死回生的其中一個(gè)因素就是其WEBENCH在線(xiàn)設計工具組合產(chǎn)品。從過(guò)去來(lái)看，這些產(chǎn)品致力于采用功能上相對簡(jiǎn)單(與本文討論的IC相比)的IC進(jìn)行設計，不過(guò)最近發(fā)布針對特定傳感器定制的信號調節產(chǎn)品之后，這種局面發(fā)生了變化。補充新硬件是一種可定制整個(gè)信號鏈的新型WEBENCH實(shí)現方案。(請參見(jiàn)：Chips Implement Sensor Signal Chains From Nanoamps To Bits，網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/Chips-Implement-Sensor-Signal-Chains-From-Nanoamps-To-Bits.aspx)。

LMP91000就是這種傳感器產(chǎn)品中的一個(gè)例子，這是一款面向電化學(xué)傳感應用的可編程模擬前端(AFE)，以下網(wǎng)站上有該產(chǎn)品的說(shuō)明：http://www.national.com/pf/LM/LMP91000.html#Overview。

電源因素

自從開(kāi)關(guān)穩壓器中出現數字控制功能之后，電源管理IC廠(chǎng)商已經(jīng)走上了與混合信號IC廠(chǎng)商相似的道路。這對于采用中間總線(xiàn)架構(IBA)的應用而言尤其如此，在這類(lèi)應用中，關(guān)閉模擬領(lǐng)域的控制回路通常被視為一種模擬魔術(shù)。因此Power-One和NSC等芯片廠(chǎng)商通過(guò)圖形用戶(hù)接口(GUI)支持其“數字”電源產(chǎn)品，圖形用戶(hù)接口則承擔設計過(guò)程中的所有需在工作臺上完成的設計工作和大量分析工作。

對于大多數器件來(lái)講，這些產(chǎn)品都是DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器，不過(guò)Vicor公司最近發(fā)布了一款名為PowerBench的電源設計工具，該工具支持從簡(jiǎn)單的降壓穩壓器和升壓穩壓器到完整的多路輸出AC-DC電源的設計。

混合信號產(chǎn)品示例

接下來(lái)我們抽查一下各種半導體公司最近發(fā)布的產(chǎn)品，以此來(lái)舉例說(shuō)明上述各種混合信號芯片。

去年3月，TI發(fā)布了16位和14位雙通道同步采樣逐次逼近(SAR) ADC，這兩款ADC都帶有獨立控制的內部電壓參考，可簡(jiǎn)化系統級設計。16位ADS8363、14位ADS7263和12位ADS7223(圖1)可以提供同類(lèi)ADC兩倍的每通道吞吐能力，支持高達1Megasample/s的采樣速率。這些ADC的目標應用為工業(yè)控制領(lǐng)域，而不是消費類(lèi)或醫療應用。典型應用包括馬達控制、電能質(zhì)量測量、電力自動(dòng)化以及太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電逆變器。

圖1：Bulletproof的參考設計對于銷(xiāo)售和應用旨在去除設計特定混合信號應用所需硬件的IC至關(guān)重要。這塊針對TI公司面向工業(yè)控制的ADSxx63雙通道SAR的電路板相當簡(jiǎn)單，因為芯片的使用相對較簡(jiǎn)單。

集成兩個(gè)2.5V獨立控制的電壓參考的意義在于實(shí)現獨立的ADC增益校準和實(shí)現可編程增益放大器。此外，這種功能還可以在每個(gè)ADC需要不同的增益水平時(shí)減少外部信號調節的需求。

凌力爾特公司(Linear Technology)的新產(chǎn)品一般都針對汽車(chē)應用。從高集成度的角度來(lái)講，凌力爾特公司面向混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)(EV)和其它高壓高性能電池系統的LTC6803第二代高壓電池監測器可以解決通過(guò)串聯(lián)電池組的高壓的問(wèn)題。多個(gè)LTC6803可以在不使用光耦或隔離器的情況下串聯(lián)在一起(圖2)，從而對電池陣列中的每個(gè)電池實(shí)現精確電壓監測。每個(gè)LTC6803電池測量IC都包含一個(gè)12位ADC、一個(gè)精密電壓參考、一個(gè)高壓輸入復用器和一個(gè)串行接口。單個(gè)LTC6803可以測量多達12個(gè)串聯(lián)的獨立電池?？梢詼y量的電池電壓范圍為-300mV至5V，這使得LTC6803能夠監測許多不同的化學(xué)電池和超級電容。除了精密測量之外，還可以監測每個(gè)電池的欠壓和過(guò)壓狀況，提供相關(guān)的MOSFET使過(guò)度充電的電池放電。此外還有一個(gè)5V穩壓器、一個(gè)溫度傳感器、GPIO線(xiàn)路和熱敏電阻輸入。

圖2：凌力爾特公司針對利基市場(chǎng)的高集成度發(fā)展路線(xiàn)包含了在不采用光耦的情況下監測電動(dòng)汽車(chē)電池組狀態(tài)的諸多技術(shù)。

測量汽車(chē)的電池陣列有一些獨特的要求，從而催生了一些同樣獨特的解決方案。例如，對于長(cháng)期的電池組存放，集成式電池管理系統消耗的電流會(huì )使電池失去平衡。凌力爾特公司的應對方法是采用待機模式，在該模式下汲取的電流不到12微安。此外，由于LTC6803的電源輸入與電池組隔離，因此LTC6803可以汲取獨立電源的電流，在這種情況下，從電池組汲取的電流將不到1微安。除此之外，芯片還必須滿(mǎn)足汽車(chē)溫度、環(huán)境和安全標準。

今年1月，ADI發(fā)布了面向心電圖(ECG)系統的模擬前端芯片系列的首款產(chǎn)品。ECG系統可以測量和記錄人體心臟的心電活動(dòng)(圖3)，實(shí)現對出生缺陷、心律失常、心臟瓣膜問(wèn)題和心臟肌肉的供血不足等疾病的診斷和分析。

圖3：ADI公司用于便攜式ECG的模擬前端可以在滿(mǎn)足嚴格要求的同時(shí)，節省功耗和BOM成本。

ADAS1000 ECG AFE可以省去5電極心電監護系統的信號鏈中的50多個(gè)元件。該器件還整合了心臟起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能。這是一個(gè)通用器件，因為它可以通過(guò)配置來(lái)優(yōu)化噪聲性能、功耗或數據速率。這些指標是家庭、門(mén)診和醫院ECG系統的不同設計目標。

對于ODM和OEM而言，自然就有相當多的設計支持。評估板包括模擬前端、電源、控制和接口選擇方案。由于模擬前端是唯一的，因此ADI將其與ADI的Blackfin DSP(數字信號處理器)、單芯片USB隔離器、四通道數字隔離器、5kV DC-DC轉換器，433MHz、868MHz和915MHz ISM波段收發(fā)器和各種DC-DC穩壓器整合在一起。

TI還推出了一個(gè)面向便攜式ECG系統的模擬前端系列。最新的24位ADS1298R整合了呼吸檢測功能，集成了40多個(gè)分立元件(如果不集成的話(huà)就需要這么多元件)。該芯片(圖4)的功耗比分立實(shí)現方案低95%。片上器件包括八個(gè)ADC、八個(gè)可編程增益放大器(PGA)、八個(gè)有源濾波器以及一個(gè)心臟起搏器檢測接口、持續斷線(xiàn)檢測功能、一個(gè)電壓參考和右腿驅動(dòng)電路等。在參考設計中，該芯片與超低功耗DSP配合使用。參考設計還可以實(shí)現示波器、FFT和直方圖顯示，這體現了芯片公司在這些目標混合信號芯片中提供的設計支持。

圖4：除芯片廠(chǎng)商之外的其它公司會(huì )從本文介紹的趨勢中獲益。TI的心電圖產(chǎn)品可與ADI相媲美。評估板可與Fluke公司的這款商業(yè)仿真器配合使用。

集成度有時(shí)候也涉及MEMS。ADI在1月推出了具有I2S(Inter-IC Sound，音頻芯片互連)數字輸出的高性能MEMS麥克風(fēng)ADMP441。(這是產(chǎn)前公告，今年6月開(kāi)始量產(chǎn))。該公司以前在其iMEMS系列中推出了其它的麥克風(fēng)產(chǎn)品，不過(guò)這款新麥克風(fēng)器件不需要進(jìn)行信號調節和數字化操作，而是直接提供24位串行數據輸出。其規格如下：頻率響應為100Hz至15kHz，SNR為61dBA，電源抑制比(PSRR)為80dBFS。采用4.72×3.76×1.00mm3的封裝。

圖5：集成并不意味著(zhù)不使用電子元件。ADI將MEMS麥克風(fēng)與其相關(guān)的電子器件集成在一起，實(shí)現了一款尺寸極小的耐用設備。