Precizní řešení μModule pro signálové řetězce. Zjednodušte návrh, zlepšete parametry a ušetřete drahocenný čas

Precizní řešení μModule^® pro signálové řetězce od firmy Analog Devices nabízí vývojářům kompaktní integrovaný systém, který si lze velmi dobře přizpůsobit.

Zjednodušuje návrh, zlepšuje vlastnosti a šetří drahocenný čas [1]. Představuje obrovský bonus pro všechny, kdo chtějí s nejmodernějšími technologiemi rychleji proniknout na trh.

Pár slov úvodem

S rychlým pokrokem v oblasti technologie obvodů VLSI (very large-scale integrated) se otevřel i široký prostor pro zpracování signálu v aplikacích, jako jsou telekomunikace, audiosystémy nebo i průmyslová automatizace či elektronika používaná v automobilech. K vývoji samostatného špičkového bloku lineárního precizního signálového řetězce, o který se mohou zmíněné aplikace opřít, však bylo zapotřebí obrovského úsilí.

V článku si ukážeme, jak precizní řešení μModule^® pro signálové řetězce od firmy ADI využívá jinak nesourodé integrace s přispěním technologie SiP (system-in-package) a řeší potřebu trhu tím, že vývojářům nabídne kompaktní integrované řešení, které lze velmi dobře přizpůsobit, zatímco dále zjednodušuje návrh, zlepšuje vlastnosti a šetří drahocenný čas [1]. Pro všechny, kdo chtějí s moderními technologiemi rychleji proniknout na trh, zde nabízí obrovskou výhodu [2].

Co je to precizní řešení μModule^® pro signálové řetězce

Precizní signálový řetězec s μModule^® zde představuje technologii SiP (system-in-package), která umožní společnou integraci různorodých obvodů, zatímco je dále zárukou těch nejlepších vlastností. Zmíněný systém ADI hodlá zvyšovat hustotu v menších provedeních díky spojení prvotřídních součástek, technologie iPassives^® a také pokročilé montáže 2,5D / 3D, přičemž dále pokračuje v chytrém a také efektivním řízení součástí celého systému – viz obr. 1 [1]. Takové obvody μModule^® pak slouží v rámci signálového řetězce jako spolehlivé stavební bloky a umožňují vývojářům dosáhnout za přijatelnou cenu vyšších úrovní integrace, svižnějšího uvedení na trh, rostoucích rychlostí nebo i nižší spotřeby energie. Ladění či optimalizace dalších externích obvodů již proto není zapotřebí [1].

Obr. 1 Systém řešený v rámci jednoho pouzdra

Klíčové vlastnosti a výhody

 Síla integrace

Precizní řešení μModule^® pro signálové řetězce slibuje pozoruhodný pokrok v oblasti návrhu takového systému díky integraci většího počtu analogových i číslicových součástek do jediného modulu. Může za to technologie iPassives^® od ADI společně s jejich vynikajícími IO pro zpracování signálu, které jsou zapouzdřeny s využitím technologie SiP. Vznikají tím struktury μModule^® s nejlepšími vlastnostmi a také odolností ve své třídě, které jsou navíc i zárukou výjimečně krátkého vývojového cyklu [2]. Podobně jako budou integrované obvody složeny ze spousty tranzistorů, mohou též integrované pasivní prvky obsahovat mnoho jakostních pasivních součástek zapouzdřených na velmi malé ploše.

Jediná součástka proto může nyní zahrnovat systémy, které se v minulosti řešily na úrovni celých desek. Díky sloučení funkcí, jako je zesilování, filtrace nebo analogově-číslicový převod, se s těmito moduly vyhneme potřebě navrhovat složité signálové řetězce založené na samostatných součástkách. Parazitní vlivy vzájemného spojování (indukčnosti, kapacity a odpory) jsou tudíž výrazně potlačeny. Všechny zmíněné faktory nakonec povedou k uceleným řešením s vynikajícími parametry, které máme okamžitě k dispozici. Pokud tedy vyvíjíme v krátkých cyklech a s obrovskou úsporou nákladů, to vše v rámci kompaktního provedení [2], neklesají nám díky kompletním řešením, která umí dobře hospodařit s místem, jen fyzické rozměry, ale dokážeme rovněž optimalizovat vlastnosti a spolehlivost celého signálového řetězce. U pasivních součástek, které jsou vyráběny ve stejném čase a za shodných podmínek, je navíc větší šance, že se budou k sobě vzájemně hodit [2].

Zmíněné řešení nám snižuje riziko opakování návrhu, když otázky spojené s výběrem součástek, optimalizací a také layoutem přenáší z vývojáře na výrobce obvodu. ADI vyrábí precizní systémy pro zpracování signálu, které lze do značné míry dále přizpůsobit a z titulu jedinečných výrobních procesů na úrovni křemíku, které má firma k dispozici, nabízí též vynikající vlastnosti [2]. Zásadní snižování rozměrů pro takový způsob řešení nám ilustruje obr. 2. Pro vývojáře pracující na systémové úrovni tak mohou klesat i celkové náklady spojované s vlastnictvím, včetně doby potřebné k uvedení produktu na trh.

Obr. 2 K ještě menší zastavěné ploše pro dané řešení

Potenciál není nutné blokovat

Precizní řešení μModule pro signálové řetězce byla navržena tak, aby s ohledem na rostoucí požadavky elektronických systémů zajistila mimořádné vlastnosti. Umí se totiž vypořádat s omezeními, která u integrovaných front-endových obvodů přináší návrh a také technologie výroby [3]. Díky pečlivému výběru součástek, metodám návrhu přesných analogových struktur a také pokročilé optimalizaci layoutu proto zmíněné moduly zajistí vysokou integritu signálu, nízké rušení a precizní zpracování signálu vůbec. Ať již sbíráte informace z čidel, zesilujete signály nebo realizujete převod mezi analogovou a číslicovou oblastí, precizní řešení μModule pro signálové řetězce odemyká plný potenciál systémů pro takové zpracování signálu s kvalitou, která nezná kompromisů.

Homogenní prostředí zde po technické stránce zajišťuje technologie iPassives od firmy ADI. Parazitní vlivy provázející vzájemné spoje, jako je odpor vedení a indukčnost, jsou tudíž udržovány na minimální úrovni a to málo, co se přesto vyskytne, je zcela jasně předvídatelné a lze s tím spolehlivě i počítat [2]. Nadprůměrné vlastnosti ADAQ4003 zohledňující různá zesílení a také odlišné vstupní kmitočty sledujeme na obr. 3.

Obr. 3 Dynamický rozsah ADAQ4003 s SNR jako funkce OSR (oversampling rate) pro různé vstupní kmitočty [4]

Flexibilita a možnosti přizpůsobení

Precizní řešení μModule pro signálové řetězce však nejsou jen o integraci, protože vývojářům zde nabízí též flexibilitu. Lze je velmi dobře konfigurovat a my si tak můžeme parametry či charakteristiky signálového řetězce na základě chytrého rozdělení veškerých součástek přizpůsobit požadavkům konkrétní aplikace – viz také obr. 4. S nastavitelným ziskem, šířkou pásma, možnostmi filtrace, ale i dalšími uzpůsobitelnými funkcemi nabízí zmíněná řešení mnohostranně použitelnou platformu reagující na celou řadu složitých úkolů při návrhu systému.

Obr. 4 Zjednodušený blokový diagram SMU (source measurement unit, [4])

Klesající celkové náklady plynoucí z vlastnictví

S podporou systému se po celou dobu jeho existence pojí spousta druhotných nákladů [1]. Pokud jde o provozní teplotu nebo i časové hledisko, vlastnosti diskrétních součástek již z principu trvale degradují. Systém vystavěný na základě precizního řešení μModule pro signálové řetězce však bude mít nižší sekundární náklady, protože pasivní součástky, které ve výrobě ovlivňují vlastnosti a také výtěžnost, máme již integrovány v rámci prvku μModule [1]. Na obr. 5 vidíme, jak použití systému μModule pro precizní signálové řetězce tyto druhotné náklady, namísto diskrétního řešení, snižuje.

Obr. 5 K otázce druhotných nákladů

Limity, které se odráží v technické dokumentaci k signálovému řetězci s prvky μModule, zde sledují vlastnosti celého řetězce a umožňují tak dosahovat ve výrobě stálých parametrů a také vysoké výtěžnosti. Na výrobní lince proto zaznamenáme méně problémů, což pomáhá snižovat náklady na technickou podporu a maximální měrou navyšovat i výrobní kapacitu [1].

Vzhledem k tomu, že pasivní součástky tvoří v elektronice nedílnou část každého subsystému [5], lze díky zapracování těchto prvků přímo na úrovni substrátu dále zlepšovat dosahované parametry. Zdroje odchylek závislých na teplotě tak budou integrací potlačovány. Ale nejen to. Ve výrobě se dokážeme vyhnout i potřebě teplotní kalibrace signálového řetězce, která je časově a také finančně náročná – viz také obr. 6. Snižování počtu diskrétních součástek, ale i vzájemných spojů na desce navíc zlepšuje spolehlivost systému z titulu menšího výskytu pájených kontaktů, což nakonec přispívá i k nižším provozním nákladům [1].

Obr. 6 Precizní technologie μModule pro signálové řetězce a snižování celkových nákladů spojených s vlastnictvím

Snadno se použije a k prototypu vede rychlá cesta

Precizní řešení μModule pro signálové řetězce zjednodušuje proces návrhu a výraznou měrou jej také zkracuje. Za zkracováním potřebné doby stojí jádra, která jsou již předem navržena, vyrobena, mají své typické vlastnosti a výrobce je rovněž otestoval. Systémy μModule přichází nejen s nakonfigurovanými řetězci, ale také spoustou podpůrných prostředků, jako jsou desky, na kterých si můžete vše vyzkoušet, či SW vývojové kity, takže lze očekávat dobré výsledky, ale i přímočarý způsob návrhu. Ukázku sady demonstrující schopnosti precizních řešení μModule pro signálové řetězce vidíme na obr. 7.

Obr. 7 Sada ADSKPMB10-EV-FMCZ určená pro signálové řetězce 

Technologii iPassives od ADI lze z pohledu vývojáře vnímat jako flexibilní nástroj pro realizaci precizních řešení μModule umožňující navrhovat systémová řešení mimořádně rychlým způsobem [2]. Vývojáři se tak mohou zaměřit spíše na design či funkce spojené se systémovou úrovní a netrápit se s komplikovanou implementací na úrovni jednotlivých součástek. Snadnější zde bude i rychlý vývoj prototypu společně s validací celého systému, takže lze dokonce vyhovět „šibeničním“ harmonogramům, které u novátorských aplikací provází jejich cestu od formulace systému až po dodávku hotové součásti.

Aby v ADI vyhověli různým požadavkům trhu, mají k dispozici rozsáhlou nabídku převodníků, integrovaných, ale i těch pro speciální účely, se kterými podpoří celou řadu oblastí. Více informací získáte přímo na stránkách věnovaných preciznímu řešení μModule pro signálové řetězce od ADI.

Aplikace napříč obory

Precizní řešení μModule pro signálové řetězce, to je i široká škála aplikací v mnoha různých oblastech. Pojďme se blíže podívat na některé z nich.

Komunikace

Většina produktů ze světa bezdrátové komunikace si žádá digitální, analogové a také vf elektronické obvody, se kterými napomáhají vysílání či příjmu signálu bez přerušení. Precizní řešení μModule pro signálové řetězce něco takového zajišťují díky zlepšování vlastností transceiverů, základnových stanic nebo i síťové infrastruktury. Popsané systémy poskytují efektivní řešení při potlačování elektromagnetických interferencí, pokud jde o číslicové protějšky vf elektroniky citlivé na rušení, a to na základě oddělení vysokofrekvenčních a digitálních obvodů [6].

Jako příklad nám poslouží ADAQ8092, viz obr. 8. Jedná se o strukturu SiP se dvěma kanály (system in package), složenou ze tří obvyklých bloků pro zpracování signálu a jeho úpravu, takže lze podporovat různé aplikace s demodulátory či sběrem dat. Součástka zde integruje veškeré prvky, aktivní a také iPassives, se kterými vytváří kompletní signálový řetězec nabízející v porovnání s řešením složeným z diskrétních součástek až šestinásobnou úsporu místa. Vestavěné blokovací kondenzátory zlepšují vlastnosti napájení spojené s potlačením nežádoucího rušení a umožňují tak vznik robustního řešení DAQ. Prvky ADAQ8092 pracují s 3,3V až 5V napájením analogové části a napětím 1,8 V v případě digitálních obvodů. U číslicových výstupů pak přichází v úvahu CMOS nebo také CMOS či LVDS s dvojnásobnou rychlostí.

Obr. 8 Blokový diagram ADAQ8092

Průmyslová automatizace

Pokud se zaměříme na průmyslové aplikace, nedávný pokrok v polovodičových technologiích zde umožňuje vznik inovativních trendů ve třech základních směrech. Jedná se o hustotu výkonu a energetickou účinnost, všudypřítomné řízení digitálního napájení a také bezpečnost [7]. Precizní řešení μModule pro signálové řetězce umožňuje v systémech průmyslové automatizace přesné zpracování signálu. Je zárukou precizního měření, řízení, ale i pohonů.

Za vznikem chytrých a také bezpečných aplikací ve výrobě stojí průmyslové komunikační sítě s přenosem dat mezi stroji a řídicími systémy v reálném čase. Precizní řešení μModule pro signálové řetězce zde umožní expanzi digitálních řídicích systémů společně s novým řešením konektivity, takže lze lidem nepřetržitě zajistit bezpečné prostředí [7].

Abychom pro člověka dokázali garantovat bezpečí a ochránili jeho prostředí, neobejdeme se bez systémové bezpečnosti [7]. Pokud máme dále reagovat na nedostatečnou rychlost komunikace, velkou spotřebu energie, značné rozměry nebo též otázky spojené u bezpečnostních monitorovacích systémů se spolehlivostí, nedávný rozmach možností nových procesů v oblasti polovodičových technologií dokládá, že kompromisy již nejsou více zapotřebí. Precizní řešení μModule pro signálové řetězce zde v integrované podobě zaručuje úsporu místa, nízkou vlastní spotřebu, mimořádnou spolehlivost a také nezbytnou rychlost komunikace.

Systémy průmyslové automatizace sbírají data z různých senzorů a přenáší je za účelem další analýzy do centrálního monitorovacího systému. V případě tzv. sledování CbM (condition-based monitoring) se pak bude jednat o strategii preventivní údržby, která u věcí nepřetržitě monitoruje stav a využívá přitom různé druhy čidel. CbM lze využít při zjišťování trendů, k predikci selhání, výpočtu životnosti a také za účelem zvyšování bezpečnosti výrobních závodů [8].

V případě aplikací s CbM podporuje ADAQ7768-1 celou řadu vstupů. Jak nám ilustruje i obr. 9, patří mezi ně senzory IEPE, odporové můstky, napěťové a také proudové vstupy. ADAQ7768-1 rovněž nabízí dva způsoby, jak součástku nakonfigurovat. Vývojáři si mohou vybrat, zda upraví registry cestou SPI, nebo využijí samotné piny a jednoduché metody, se kterou hardwarově přizpůsobí součástku tak, aby pracovala v různých, předem stanovených režimech [1].

Obr. 9 Typické znázornění systému DAQ s oddělenými kanály

Řešení pro testování v automobilovém průmyslu

Inovace a také optimalizace precizního řešení μModule pro signálové řetězce přináší robustní vzájemná spojení a také fyzické provedení skloňující vysokou spolehlivost, kompaktní řešení či nákladově efektivní produkty, které pomohou vyhovět potřebám automobilového průmyslu [9]. Výsledek se uplatní v aplikacích, jako jsou systémy infotainmentu, řízení hnacího ústrojí nebo ADAS (advanced driver assistance system), kde zlepšují bezpečnost, komfort nebo i chování vozidla.

S technologickým pokrokem se však pojí složitost, a proto budou zapotřebí nové metody pro simulace či ověřování. Abychom se vyhnuli nepraktickým simulacím, bude možné využít digitálního protějšku. V takovém případě se jedná o virtuální zastoupení skutečného fyzického systému [1]. Zmíněná metoda pomáhá snižovat náklady, zkrátit vývojové cykly nebo též optimalizovat celý systém.

Jako příklad z oblasti automobilového průmyslu si pro digitální protějšky uveďme HIL (hardware-in-the-loop), techniku, která slouží k testování složitých systémů pracujících v reálném čase, jako jsou např. elektronické řídicí jednotky (ECU), posilovače řízení, systémy odpružení, řízení baterií nebo i jakékoli další subsystémy ve vozidle. Široká nabídka prvků pro zpracování signálu, sběr dat, generování signálu a také oddělení od firmy ADI zde pro simulátory HIL představuje optimalizovaná řešení. Obzvláště pak ADAQ23878 s možností odstupňovat signály, kdy díky kombinaci různých, běžně používaných bloků pro zpracování signálu a také jeho úpravu v rámci jediného obvodu, a to včetně plně rozdílového budiče ADC (FDA) s nízkou hladinou šumu, stabilního bufferu pro referenci či vysokorychlostního 18bitového analogově-číslicového převodníku s postupnou aproximací (SAR) a rychlostí 15 MSPS, u finálního návrhu snižujeme počet součástek [1].

Obr. 10 Vývojová deska EVAL-ADAQ23878

Závěr

Ve světě integrovaných obvodů a jejich technologií pozorujeme nový přístup, díky kterému lze proces vývoje zefektivnit – s přispěním techniky SiP a také zapracováním jinak různorodých prvků [10]. S představením precizních řešení μModule pro signálové řetězce se změnil i způsob práce vývojářů v této konkrétní oblasti návrhu. Zmíněné řešení zde vše integruje a nabízí přitom špičkové parametry, flexibilitu a také jednoduché použití, zatímco je dále při zpracování signálu zárukou mimořádných vlastností. Technologie se dále zdokonalují a precizní řešení μModule pro signálové řetězce zde budou hrát klíčovou roli. V různých oblastech průmyslu tak mohou vznikat inovativní aplikace znamenající další rozmach elektronických systémů.

Poděkování

Rádi bychom poděkovali za to, jak Stuart Servis po technické stránce přispěl k tomuto článku.

Odkazy:

[1] Precision Signal Chain µModule Solutions. Analog Devices, Inc. Dostupné z https://www.analog.com/en/product-category/precision-signal-chain-umodule-solutions.html

[2] Mark Murphy and Pat McGuinness. Use of Integrated Passives in Micromodule SIPs. Analog Dialogue, Vol. 52, No. 10, October 2018. Dostupné z https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/use-of-integrated-passives-in-micromodule-sips.html

[3] Man-Lung Sham, Y. C. Chen, L. W. Leung, Jyh-Rong Lin, and Tom Chung. Challenges and Opportunities in System-in-Package (SiP) Business. 2006 7th International Conference on Electronic Packaging Technology, August 2006. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/4198959

[4] Maithil Pachchigar. μModule Data Acquisition Solution Eases Engineering Challenges for a Diverse Set of Precision Applications. Analog Devices, Inc., November 2020. Dostupné z https://www.analog.com/en/technical-articles/umodule-data-acquisition-solution-eases-engineering-challenges.html

[5] Michael Scheffler and Gerhard Tröster. Assessing the Cost Effectiveness of Integrated Passives. Proceedings of the Conference on Design, Automation and Test in Europe, February 2000. Dostupné z https://www.researchgate.net/publication/3844320_Assessing_the_Cost_Effectiveness_of_Integrated_Passives

[6] King L. Tai. System-In-Package (SIP): Challenges and Opportunities. Proceedings of the 2000 Asia and South Pacific Design Automation Conference, January 2000. Dostupné z https://www.cecs.uci.edu/~papers/compendium94-03/papers/2000/aspdac00/pdffiles/2e_1.pdf

[7] Domenico Arrigo, Claudio Adragna, Vincenzo Marano, Rachela Pozzi, Fulvio Pulicelli, and Francesco Pulvirenti. The Next ‘Automation Age’: How Semiconductor Technologies Are Changing Industrial Systems and Applications. ESSCIRC 2022- IEEE 48th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), September 2022. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/9911230

[8] Condition-Based Monitoring. Analog Devices, Inc. Dostupné z https://www.analog.com/en/applications/markets/industrial-automation-technology-pavilion-home/condition-based-monitoring.html

[9] Yangang Wang, Xiaoping Dai, Guoyou Liu, Daohui Li, and Steve Jones. An Overview of Advanced Power Semiconductor Packaging for Automotive System. CIPS 2016; 9th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, March 2016. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/7736706

[10] K.M. Brown. System in Package: The Rebirth of SIP. Proceedings of the IEEE 2004 Custom Integrated Circuits Conference. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/1358919