數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)模擬器件" title="模擬器件">模擬器件提出的挑戰(zhàn)
眾所周知，近20年來(lái)，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的PC技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，處理速度提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，PC總線的帶寬獲得了500倍的提高，同時(shí)系統(tǒng)工程師的設(shè)計(jì)難度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本都隨著技術(shù)的進(jìn)步和工藝的提高大大降低。另外，USB和以太網(wǎng)接口等接口技術(shù)正在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的使用。PC、筆記本電腦甚至PDA基本都配有以太網(wǎng)、USB或IEEE 1394接口，便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來(lái)越得到用戶的青睞。這些數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模擬信號(hào)的處理能力提出了挑戰(zhàn)。為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體性能獲得提升，模擬器件也正向著高速度、高精度、低功耗、小封裝和低成本的方向發(fā)展。以NI公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品為例，NI公司最新的高性能M和S系列產(chǎn)品使用的是一個(gè)或多個(gè)16位或更高分辨率的ADC，采樣速率大于1MSPS，PXI-5105則使用了8個(gè)12位分辨率、60MSPS采樣率同時(shí)進(jìn)行采樣的ADC。而在八十年代后期的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中使用的僅是單個(gè)12位分辨率、10KSPS的ADC，而且新產(chǎn)品相對(duì)于老產(chǎn)品，成本會(huì)更低。
ADI在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域的新技術(shù)和產(chǎn)品
針對(duì)更高性能和多種多樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)模擬器件提出的要求，ADI一直在研發(fā)上投入大量資金，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新并傾聽(tīng)客戶的需求，創(chuàng)造出更新的技術(shù)和工藝，并生產(chǎn)出更高性能和更適合客戶使用的產(chǎn)品。圖2是典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)處理鏈路。在這個(gè)信號(hào)處理鏈路中，傳感器、放大器、多路復(fù)用器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、隔離器等模擬器件的性能直接決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體性能。ADI在這些器件的技術(shù)和工藝方面都擁有專利，并提供基于這些先進(jìn)技術(shù)的多種產(chǎn)品。下面將會(huì)介紹這些新技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品。

iCMOS工藝及產(chǎn)品
iCMOS(industrial CMOS)是ADI在工業(yè)領(lǐng)域推出的新工藝。這種iCMOS制造工藝能使采用亞微米工藝尺寸的芯片承受高達(dá)30V的電壓，如圖3所示。其中可選的漏極擴(kuò)展允許工作電壓高達(dá)50V。除了高壓CMOS外，iCMOS工藝技術(shù)包括高壓、完全互補(bǔ)雙極工藝器件，因此iCMOS能夠集合互補(bǔ)雙極工藝的高性能、CMOS工藝的高效率以及高電壓等多種優(yōu)勢(shì)。iCMOS工藝的主要特點(diǎn)是它能使單元電路與襯底之間或單元電路與單元電路之間完全隔離。這就意味著通過(guò)對(duì)同一單芯片施加多種電源電壓，一顆單芯片能實(shí)現(xiàn)5V CMOS電路和16V、24V或30V高電壓的CMOS電路混合和匹配。因此，按照ADI公司的iCMOS工業(yè)制造工藝制造的模擬IC允許工業(yè)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用亞微米尺寸單片集成電路制造工藝將現(xiàn)代數(shù)字邏輯電路與高速模擬電路集成在一起，因此iCMOS器件可以實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的集成度、更低的功耗并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達(dá)到的。

基于iCMOS工藝，ADI推出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、模擬開(kāi)關(guān)等一系列新產(chǎn)品。AD761x和AD763x就是基于iCMOS工藝的16位和18位分辨率、750KSPS采樣率的PulSAR?誖系列ADC，以滿足工業(yè)客戶對(duì)更高效率和更低成本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的需要。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，客戶通常需要電平搬移和增益級(jí)來(lái)滿足不同輸入范圍的雙極性或單極性模擬輸入信號(hào)的需要。這種前端信號(hào)調(diào)理通常是通過(guò)外部設(shè)置或者編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，是費(fèi)時(shí)和高成本的方法。通過(guò)使用ADI專利的iCMOS工業(yè)工藝技術(shù)，只需要對(duì)ADC內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，即可非常靈活地實(shí)現(xiàn)四種輸入范圍的設(shè)置(單極性0~5V，單極性0~10V，雙極性-5V~+5V， 雙極性-10V~+10V)并且無(wú)數(shù)據(jù)延遲。這樣，省去了前端信號(hào)調(diào)理電路，很大程度上節(jié)省了成本，縮小了電路板尺寸，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。功能和性能的結(jié)合以及50%芯片尺寸的減小和同類產(chǎn)品一半的價(jià)格都是前所未有的。
?基于iCMOS工藝，ADI為工業(yè)和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用推出了一系列多路復(fù)用器和開(kāi)關(guān)產(chǎn)品——ADG12xx和ADG14xx。它們可以工作在±12V或±15V高電源電壓下。ADG14xx的導(dǎo)通電阻小于5?贅，導(dǎo)通電阻的平坦度小于0.5?贅。相對(duì)于工業(yè)界中標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)通電阻縮小了約85%，因此減小了開(kāi)關(guān)過(guò)程引入到信號(hào)中的失真。ADG12xx的關(guān)斷電容小于2pF，電荷注入小于1pC，是工業(yè)界具有最低電容和電荷注入的開(kāi)關(guān)，非常適合要求低毛刺和快速建立時(shí)間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度。同時(shí)，iCMOS還使這些產(chǎn)品的封裝和功耗大大降低。以ADG1233為例，它是三個(gè)SPDT開(kāi)關(guān)，16腳4mm×4mm LFCSP封裝，它的小封裝與同類產(chǎn)品相比節(jié)省電路板面積77%，而且超低的功耗（<0.03?滋W）使它也適合于便攜式設(shè)備應(yīng)用。
?AD8250/1是基于CMOS工藝的數(shù)字可編程儀表放大器。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)講，可數(shù)字編程的增益能應(yīng)對(duì)不同范圍的輸入信號(hào)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，AD8250/1具有G歐姆數(shù)量級(jí)的輸入阻抗以及超低的失真性能使得它可以很好地使前端傳感器與后端ADC相接口。它還具有12MHz的帶寬，0.01%的建立時(shí)間0.5?滋s，1?滋V/°C和10ppm/°C的失調(diào)電壓和增益漂移，DC~50kHz的80dB(G=1)的共模抑制比，這些特性都使它成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)選。
iPOLAR工藝及產(chǎn)品
ADI的iPOLARTM制造工藝的推出代表近20年來(lái)業(yè)界對(duì)36V雙極型" title="雙極型">雙極型工藝進(jìn)行的最重大的再設(shè)計(jì)。這種新的iPOLAR工藝適合于需要耐高電壓雙極型模擬器件的工業(yè)應(yīng)用，采用iPOLAR工藝的芯片面積比傳統(tǒng)的雙極型工藝減小75％，功耗減小50%，同時(shí)具有非常高的性能和功能。它們?yōu)楣I(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了一批新的采用非常小的SOT-23封裝的低噪聲、低成本器件。ADI公司開(kāi)發(fā)的iPOLAR 36V工藝借鑒了多年積累的雙極型工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)采用一種擁有專利權(quán)的深溝道隔離方案使晶體管尺寸降至最小而無(wú)需折衷性能。其實(shí)現(xiàn)方法是在器件和襯底之間采用一種結(jié)隔離方案，而不采用需要掩埋氧化層晶片（SOI襯底）的全介電隔離（DI）工藝。雖然把深溝道隔離方案與大面積襯底集成在一起提出一項(xiàng)額外的工藝開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)，但是與DI工藝相比，其電路優(yōu)勢(shì)是很明顯的。與SOI(絕緣體上硅)晶片工藝相比，iPOLAR工藝除了顯著降低了成本以外，還采用大面積襯底來(lái)為有源晶體管提供改進(jìn)的熱傳導(dǎo)性能，從而在更寬的溫度和電壓范圍內(nèi)改善了晶體管的特性。圖4是基于iPOLAR工藝制造的晶體管，其芯片面積比老工藝減小75％，從而使電路足夠小以便適合SOT-23封裝。在放大器IC的情況下，所節(jié)省的面積允許設(shè)計(jì)工程師增加一些諸如偏置電流抵消和待機(jī)功能。

iPOLAR工藝除了減小管芯面積，還使得NPN和PNP兩種晶體管的帶寬（FΤ）都至少達(dá)到750MHz甚至更高，從而顯著提高了標(biāo)準(zhǔn)36V雙極型器件的性能。另外，采用iPOLAR工藝制造的高性能精密雙極型器件沒(méi)有使用多發(fā)射極結(jié)構(gòu)以便得到最好的1/f噪聲性能，同時(shí)精心制造放入基射結(jié)以避免早期雙極型工藝中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的猝發(fā)（或稱“爆米花”）噪聲。ADI公司還改善了不同晶體管相結(jié)合的“模擬”性能，采用器件匹配和新的射極－基極－集極體系結(jié)構(gòu)來(lái)更好地控制重要的電路參數(shù)，例如失調(diào)電壓和噪聲。
基于iPolar工藝的放大器產(chǎn)品AD8677是廣泛應(yīng)用的OP07的升級(jí)產(chǎn)品，它改進(jìn)了相位裕量和穩(wěn)定性，采用SOT-23封裝，節(jié)省PCB面積75%，功耗降低50%，并且精度和噪聲都得到了提高。ADA4004是基于iPolar工藝的高精密、低噪聲的放大器。它的輸入失調(diào)電壓為40?滋V，噪聲密度只有1.8nV/■，6Hz的1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率，并且功耗只有1.7mA/amplifier。單運(yùn)放提供5腳SOT封裝，因此它是應(yīng)用在要求非常高直流精度、超低噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳產(chǎn)品。
iCoupler和isoPower技術(shù)
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了保證采集設(shè)備以及操作人員的安全，通常需要進(jìn)行信號(hào)的電氣隔離。同時(shí)，隔離還可以消除不同測(cè)量模塊之間因?yàn)榇嬖诘鼗芈吩斐傻仉妷翰顚?dǎo)致的測(cè)量誤差。傳統(tǒng)的隔離方式是使用模擬隔離，模擬隔離的限制是非線性、溫度漂移、高功耗、大尺寸和高成本。針對(duì)模擬隔離的種種局限性，ADI公司推出了全新的數(shù)字隔離技術(shù)——iCoupler技術(shù)。iCoupler技術(shù)是一種基于變壓器的隔離方案，其結(jié)合了光耦合器、變壓器和半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)通過(guò)在半導(dǎo)體上集成微型變壓器來(lái)提供隔離，通過(guò)在變壓器線圈之間使用特殊的隔離層達(dá)到安全識(shí)別隔離。它避免了光耦合器中電光轉(zhuǎn)換的不利特性，與光耦合器相比，iCoupler產(chǎn)品降低了功耗，提高了數(shù)據(jù)速率并且增強(qiáng)了定時(shí)精度，而且還能提供高達(dá)5kV的額定隔離電壓。iCoupler技術(shù)如圖5所示。因?yàn)閷⑽⑿妥儔浩鹘Y(jié)構(gòu)集成在半導(dǎo)體襯底上，所以iCoupler產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成，從而能增加功能、減小尺寸并且降低成本。ADI公司使用其專利技術(shù)“刷新”電路解決了變壓器中常見(jiàn)的DC正確性的問(wèn)題，這種技術(shù)在沒(méi)有輸入信號(hào)變化時(shí)按照正確的輸入狀態(tài)更新輸出。

?isoPower技術(shù)增強(qiáng)了iCoupler技術(shù)的可擴(kuò)縮性和靈活性，它是ADI公司數(shù)字隔離產(chǎn)品系列的最新發(fā)展。isoPower是指ADI公司使用 iCoupler技術(shù)通過(guò)集成的DC/DC" title="DC/DC">DC/DC轉(zhuǎn)換器提供隔離電源的技術(shù)。isoPower采用與iCoupler產(chǎn)品中相同的基本技術(shù)，在完整的集成開(kāi)關(guān)電源中使用集成的變壓器線圈，內(nèi)置穩(wěn)壓器可確保輸出電壓穩(wěn)定。通過(guò)使用iCoupler技術(shù)，isoPower可以與標(biāo)準(zhǔn)iCoupler設(shè)計(jì)集成在一起以構(gòu)成包括隔離電源和隔離信號(hào)的完整集成解決方案。集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器可代替系統(tǒng)中的多個(gè)離散器件，從而減小尺寸并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，因此縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。
?iCoupler產(chǎn)品提供各種通道配置和性能級(jí)別。這些產(chǎn)品由單、雙、三和四通道的2.5kVRMS系列和5.0kVRMS隔離器系列組成，每一款都提供多種性能/價(jià)格選擇。是集成DC/DC變換器的雙通道數(shù)字隔離器，該DC/DC變換器提供帶隔離的50mW、+5V穩(wěn)壓電源。這樣在低功耗隔離設(shè)計(jì)中無(wú)需單獨(dú)的隔離DC/DC變換器。
以上是ADI推出的幾項(xiàng)新技術(shù)以及相關(guān)的產(chǎn)品。ADI公司致力于工業(yè)儀表領(lǐng)域已有40多年的歷史，此領(lǐng)域的客戶占ADI客戶基礎(chǔ)的70%，占ADI年收入的40%。針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展和客戶需求，ADI不斷擴(kuò)大研發(fā)投入，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供更先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品。然而，隨著半導(dǎo)體工藝和技術(shù)的發(fā)展，各大半導(dǎo)體廠商在新產(chǎn)品中不斷追求高精度(分辨率)、高速度和低功耗，來(lái)滿足各種各樣的需求。但是，這三個(gè)最基本的指標(biāo)卻是相互制約、相互限制的。以模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，理論上，通過(guò)提高采樣速率可以得到更高的分辨率，采樣率提高2^N可以得到N比特分辨率的提高，但是這樣是以提高功耗為代價(jià)的。同樣，為了提高轉(zhuǎn)換速率也需要提高工作電流。因此，如何使這三個(gè)指標(biāo)均衡，是對(duì)半導(dǎo)體模數(shù)轉(zhuǎn)換器的新挑戰(zhàn)和新要求。公式(1)是半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器整體性能提出的一個(gè)新的通用的指標(biāo)，這個(gè)數(shù)值越小，表明模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能越好。

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