Con i rapidi progressi nella tecnologia dei circuiti integrati a larghissima scala (VLSI), è emersa la disciplina poliedrica delle applicazioni di elaborazione del segnale, che spaziano dalle telecomunicazioni e dai sistemi audio all'automazione industriale e all'elettronica automobilistica. Per supportare queste applicazioni, è stata necessaria una significativa attività di ricerca per sviluppare un blocco di catena del segnale discreto, lineare e preciso ad alte prestazioni. Questo articolo illustrerà come la soluzione di catena del segnale di precisione μModule di ADI sfrutti l'integrazione eterogenea attraverso la tecnologia system-in-package (SiP) per rispondere a questa esigenza di mercato, fornendo ai progettisti di sistemi una soluzione integrata, compatta e altamente personalizzabile che semplifica la progettazione, migliora le prestazioni e consente di risparmiare tempo prezioso nello sviluppo. ^Questo approccio offre un vantaggio significativo ai clienti che desiderano ^immettere sul mercato più rapidamente tecnologie all'avanguardia.

Che cos'è la tecnologia μModule Precision Signal Chain?
μModule Precision Signal Chain è una tecnologia SiP che consente l'integrazione di circuiti eterogenei mantenendo al contempo il massimo livello di prestazioni. Le soluzioni μModule Precision Signal Chain di ADI mirano a migliorare la densità in un formato più compatto, combinando dispositivi di prima classe, la tecnologia iPassives® e l'avanzata tecnologia di packaging 2.5D/3D, mantenendo al contempo una gestione intelligente ed efficiente dei componenti di sistema (vedere Figura 1) ^.¹ Questi dispositivi μModule fungono da blocchi di costruzione affidabili per la catena del segnale, consentendo ai progettisti di sistemi di raggiungere livelli di integrazione più elevati, tempi di commercializzazione più rapidi, prestazioni di velocità superiori e consumi energetici ridotti a un prezzo accessibile, senza la necessità di ^ulteriori attività di debug o ottimizzazione dei circuiti esterni.¹

Caratteristiche e vantaggi principali
La potenza dell'integrazione:
le soluzioni μModule per catene di segnale di precisione rappresentano un significativo passo avanti nella progettazione di catene di segnale, integrando più componenti analogici e digitali in un unico modulo. Ciò è reso possibile dall'utilizzo della tecnologia iPassives di ADI con i nostri circuiti integrati di condizionamento del segnale di qualità superiore, incapsulati con tecnologia SiP per creare dispositivi μModule dalle prestazioni e robustezza di prim'ordine, con tempi di sviluppo eccezionalmente brevi. Proprio come i circuiti integrati contengono molti transistor, i componenti passivi integrati possono contenere molti componenti passivi di alta qualità racchiusi in un modulo di dimensioni molto ridotte ^.

Un singolo dispositivo può ora contenere sistemi che in precedenza erano soluzioni a livello di scheda. Combinando funzioni come amplificazione, filtraggio e conversione analogico-digitale, questi moduli eliminano la necessità di progettare complesse catene di segnale utilizzando componenti individuali. Ciò riduce significativamente gli effetti parassiti di interconnessione (induttanza, capacità e resistenza). Tutti questi fattori contribuiscono alla creazione di soluzioni complete con eccellenti prestazioni "out-of-the-box". Sviluppata in cicli di sviluppo brevi con un notevole risparmio sui costi, il tutto in package molto compatti^,questa integrazione non solo riduce l'ingombro fisico offrendo soluzioni complete in formati compatti, ma ottimizza anche le prestazioni e l'affidabilità della catena di segnale. I componenti passivi prodotti contemporaneamente, nelle stesse condizioni, hanno maggiori probabilità di essere compatibili con i componenti passivi integrati^.

Figura 1. Sistema in un unico pacchetto.

Questa soluzione riduce le iterazioni di progettazione trasferendo la selezione, l'ottimizzazione e la disposizione dei componenti dal progettista al dispositivo. ADI produce sistemi di condizionamento del segnale di precisione altamente personalizzabili con prestazioni superiori, rese possibili dai nostri esclusivi processi di produzione del silicio^. La Figura 2 illustra la significativa riduzione di spazio offerta da questa soluzione. Inoltre, può ridurre il costo totale di proprietà e il time to market per i progettisti di sistemi.

Figura 2. Riduzione dello spazio occupato dalla soluzione.

Sbloccare il potenziale prestazionale:
le soluzioni Precision Signal Chain μModule sono progettate per offrire prestazioni eccezionali e soddisfare le crescenti esigenze dei clienti nel settore dell'elettronica, superando i limiti dei circuiti integrati front-end e delle tecnologie di produzione. Grazie a ^_un'attenta selezione dei componenti, a precise tecniche di progettazione analogica e a un'ottimizzazione avanzata del design, questi moduli garantiscono un'elevata integrità del segnale, un basso rumore e un'elaborazione accurata del segnale. Che si tratti di acquisire dati da sensori, amplificare segnali o convertire tra domini analogici e digitali, la soluzione Precision Signal Chain μModule sblocca tutto il potenziale dell'elaborazione del segnale con una qualità senza compromessi.
^minimo , mentre i pochi presenti sono altamente prevedibili e possono essere contabilizzati in modo affidabile. La Figura 3 mostra le prestazioni superiori dell'ADAQ4003 attraverso diversi guadagni per varie frequenze di ingresso.

Figura 3. Prestazioni dell'ADAQ4003. Gamma dinamica dell'ADAQ4003, con SNR in funzione della frequenza di sovracampionamento (OSR) per varie frequenze di ingresso.4

Personalizzazione e flessibilità

Oltre a offrire integrazione, le soluzioni di catena del segnale di precisione μModule forniscono ai progettisti di sistemi anche flessibilità nella progettazione della catena del segnale. Sono altamente configurabili, consentendo agli utenti di adattare i parametri e le caratteristiche della catena del segnale ai requisiti specifici della propria applicazione attraverso una partizione intelligente di tutti i componenti, come mostrato in Figura 4. Con guadagno, larghezza di banda, opzioni di filtraggio e altre funzionalità personalizzabili regolabili, queste soluzioni offrono una piattaforma versatile in grado di affrontare un'ampia gamma di sfide progettuali.

Figura 4. Diagramma a blocchi semplificato dell'unità di misura della sorgente.4

Minori costi totali di proprietà:
^sistema durante il suo ciclo di vita comporta numerosi costi secondari. Per loro stessa natura, i dispositivi discreti degradano inevitabilmente le proprie prestazioni con l'aumentare della temperatura di esercizio e con la durata del circuito. Un sistema realizzato con una soluzione μModule per catena di segnale di precisione presenta costi secondari inferiori, poiché i componenti passivi che influiscono sulle prestazioni e sulla produzione durante la fabbricazione sono integrati nel dispositivo μModule. La Figura ⁵ illustra la riduzione dei costi secondari quando si utilizza una soluzione μModule per catena di segnale di precisione anziché una catena di segnale discreta.

Figura 5. Costi secondari.

I limiti indicati nella scheda tecnica per la catena di segnale di un μModule coprono l'intera gamma di prestazioni della catena stessa; pertanto, garantiscono prestazioni costanti e un'elevata produttività, riducendo il verificarsi di problemi di prestazioni sulla linea di produzione e contribuendo a minimizzare i costi di assistenza e a massimizzare la produttività.^Inoltre
, poiché i componenti passivi sono parte integrante di tutti i sottosistemi elettronici, la loro integrazione nel substrato offre il potenziale per un miglioramento delle prestazioni. Questa integrazione riduce le fonti di errore dipendenti dalla temperatura. Inoltre, elimina la necessità di calibrare la catena di segnale in base alla temperatura durante la produzione, un'operazione notoriamente dispendiosa in termini di tempo e costi (vedere Figura 6). La minimizzazione del numero di componenti discreti e di interconnessioni sul circuito stampato migliora anche l'affidabilità del sistema grazie a un minor numero di saldature, riducendo così i costi di assistenza^.

Facilità d'uso e prototipazione rapida:
la soluzione di catena di segnale di precisione μModule semplifica il processo di progettazione e riduce significativamente i tempi di sviluppo. I tempi di progettazione sono ridotti perché i core sono pre-ingegnerizzati, prodotti, caratterizzati e testati. Le soluzioni di catena di segnale di precisione μModule sono fornite con catene di segnale preconfigurate e una vasta gamma di risorse di supporto, come schede di valutazione e kit di sviluppo software, garantendo prestazioni elevate e una fase di progettazione snella.

La Figura 7 mostra un esempio di kit per catena di segnale che illustra le capacità delle soluzioni μModule per catene di segnale di precisione.

Figura 6. Riduzione del costo totale di proprietà grazie alla tecnologia μModule per la catena di segnale di precisione.

Figura 7. Kit di catena di segnalazione ADSKPMB10-EV-FMCZ.

Dal punto di vista del progettista, la tecnologia iPassives di ADI può essere considerata uno strumento di progettazione flessibile per la produzione di soluzioni μModule di precisione per catene di segnale, che consentono la progettazione di sistemi con cicli di sviluppo eccezionalmente brevi.² I progettisti di sistemi possono concentrarsi sulla progettazione e sulla funzionalità a livello di sistema, anziché dover affrontare complesse implementazioni a livello di circuito. La prototipazione rapida e la validazione del sistema sono semplificate, consentendo tempistiche serrate dalla definizione del sistema alla consegna dei componenti per applicazioni innovative.
Per soddisfare le diverse esigenze del mercato, ADI offre un ampio portafoglio di convertitori integrati e speciali a supporto di una vasta gamma di settori.

Applicazioni in tutti i settori
Le soluzioni μModule per la catena di segnale di precisione offrono un'ampia gamma di applicazioni in numerosi settori, che abbracciano diversi ambiti, tra cui i seguenti:

Comunicazioni:
La maggior parte dei prodotti per le comunicazioni wireless richiede componenti elettronici digitali, analogici e RF per garantire la trasmissione e la ricezione ininterrotta del segnale. Le soluzioni μModule per catene di segnale di precisione raggiungono questo obiettivo migliorando le prestazioni di ricetrasmettitori, stazioni base e infrastrutture di rete. Queste soluzioni offrono un modo efficace per mitigare le interferenze elettromagnetiche causate dalle controparti digitali dei componenti elettronici RF sensibili al rumore, separando i circuiti RF da quelli digitali.⁶

Un esempio è l'ADAQ8092 (Figura 8), un sistema SIP a doppio canale che integra tre blocchi comuni di elaborazione e condizionamento del segnale per supportare un'ampia varietà di applicazioni di demodulazione e acquisizione dati. Il dispositivo integra tutti i componenti attivi e passivi in ​​una catena di segnale completa, riducendo l'ingombro fino a sei volte rispetto a una soluzione a componenti discreti. I condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione integrati migliorano le prestazioni di reiezione dell'alimentazione, rendendolo una soluzione DAQ robusta. L'ADAQ8092 funziona con alimentazioni digitali da 3,3 V a 5 V e analogiche da 1,8 V. Le uscite digitali possono essere CMOS, CMOS a doppia velocità di trasmissione dati o LVDS a doppia velocità di trasmissione dati.

Figura 8. Diagramma a blocchi dell'ADAQ8088.

Figura 9. Schema applicativo tipico di un sistema di acquisizione dati con isolamento di canale.

Automazione industriale
Concentrandosi sulle applicazioni industriali, i recenti progressi nella tecnologia dei semiconduttori stanno consentendo tendenze innovative in tre direzioni principali: densità di potenza ed efficienza energetica, ubiquità del controllo digitale della potenza e sicurezza.⁷

catena di segnali di precisione

Le soluzioni di catena di segnale di precisione μModule consentono un'elaborazione precisa del segnale per i sistemi di automazione industriale, garantendo misurazione, controllo e attuazione accurati.
Le reti di comunicazione industriale favoriscono scenari di produzione intelligenti e sicuri, fornendo una comunicazione in tempo reale tra macchine e sistemi di controllo. La soluzione di catena di segnale di precisione μModule permette lo sviluppo di sistemi di controllo digitali, unitamente a soluzioni di connettività innovative, per garantire la sicurezza delle persone in ogni momento^.

La sicurezza del sistema è essenziale per garantire l'incolumità delle persone e proteggere l'ambiente.7 I recenti progressi nelle nuove opzioni di processo per le tecnologie dei semiconduttori assicurano che non siano necessari compromessi per affrontare i problemi di velocità di comunicazione, elevato consumo energetico, dimensioni considerevoli e affidabilità dei sistemi di controllo della sicurezza.
Le soluzioni μModule per catene di segnale di precisione offrono un approccio integrato in termini di risparmio di spazio, basso consumo energetico, eccellente affidabilità e velocità di comunicazione.

I sistemi di automazione industriale raccolgono dati da più nodi sensore e li trasmettono a un sistema centrale di monitoraggio delle condizioni per l'analisi. Il monitoraggio basato sulle condizioni (CbM) è una strategia di manutenzione preventiva che monitora continuamente lo stato degli asset utilizzando vari tipi di sensori. Il CbM può essere utilizzato per individuare tendenze, prevedere guasti, stimare la durata utile degli asset e migliorare la sicurezza negli impianti di produzione.^Per
le applicazioni CbM, l'ADAQ7768-1 supporta un'ampia varietà di tipi di input, inclusi sensori IEPE, ponti resistivi e input di tensione e corrente, come illustrato nella Figura 9. L'ADAQ7768-1 supporta anche due metodi di configurazione del dispositivo. L'utente ha la possibilità di scegliere la configurazione con cui il dispositivo opererà modificando i registri tramite la sua interfaccia SPI, oppure utilizzando un semplice metodo di collegamento dei pin hardware per configurare il dispositivo in modo che operi in varie modalità predefinite.¹

Soluzioni per i test nell'industria automobilistica.
Innovazione e ottimizzazione della catena di segnale di precisione. Le soluzioni μModule offrono interconnessioni robuste e supporto meccanico, elevata affidabilità e un prodotto compatto ed economico che contribuisce a soddisfare le esigenze dell'industria automobilistica.⁹ Queste soluzioni sono utilizzate in applicazioni quali sistemi di infotainment, controllo della catena cinematica, sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e miglioramenti alla sicurezza, al comfort e alle prestazioni del veicolo.

I progressi tecnologici aumentano la complessità, richiedendo quindi nuovi metodi di simulazione e verifica. Per evitare simulazioni impraticabili, è possibile utilizzare un gemello digitale. Un gemello digitale è una rappresentazione virtuale di un sistema fisico reale.^Questo metodo può contribuire a ridurre i costi, accelerare i cicli di sviluppo o consentire l'ottimizzazione complessiva del sistema.
Ad esempio, nel settore automobilistico, l'hardware-in-the-loop (HIL) è una tecnica di gemello digitale utilizzata per testare sistemi complessi in tempo reale, come centraline elettroniche (ECU), sistemi di servosterzo, sistemi di sospensione, sistemi di gestione della batteria o qualsiasi altro sottosistema del veicolo. L'ampio portfolio di prodotti ADI per il condizionamento del segnale, l'acquisizione dati, la generazione e l'isolamento del segnale le consente di offrire soluzioni ottimizzate per i simulatori HIL. Nello specifico, l'ADAQ23878 con scalatura del segnale riduce il numero di componenti nel sistema finale combinando più blocchi comuni di elaborazione e condizionamento del segnale in un unico dispositivo, tra cui un controller ADC completamente differenziale (FDA) a basso rumore, un buffer di riferimento stabile e un ADC a registro ad approssimazione successiva (SAR) ad alta velocità a 18 bit e 15 MSPS.¹

Figura 10. Tavola di valutazione EVAL-ADAQ238

Conclusione:
Il nuovo imperativo della tecnologia IC è quello di semplificare il processo di sviluppo utilizzando l'integrazione eterogenea della tecnologia SiP.10 L'introduzione delle soluzioni μModule per catene di segnale di precisione ha trasformato l'approccio dei progettisti di sistemi alla progettazione delle catene di segnale. Questa soluzione offre integrazione, elevate prestazioni, flessibilità e facilità d'uso, pur mantenendo eccezionali capacità di elaborazione del segnale. Con il continuo progresso tecnologico, le soluzioni μModule per catene di segnale di precisione sono destinate a svolgere un ruolo cruciale nel consentire applicazioni innovative in diversi settori, contribuendo al progresso dei sistemi elettronici.

Ringraziamenti
Desideriamo ringraziare Stuart Servis per il suo contributo tecnico a questo articolo.

Riferimenti
1 “Soluzioni µmodule per catene di segnale di precisione.” Analog Devices, Inc.
2 Mark Murphy e Pat McGuinness. “Utilizzo di componenti passivi integrati nei SIP a micromoduli.” Analog Dialogue, vol. 52, n. 10, ottobre 2018.
3 Man-Lung Sham, YC Chen, LW Leung, Jyh-Rong Lin e Tom Chung. “Sfide e opportunità nel settore dei System-in-Package (SiP).” 7a Conferenza Internazionale sulla Tecnologia di Packaging Elettronico, agosto 2006.
4 Maithil Pachchigar. “La soluzione di acquisizione dati µmodule semplifica le sfide ingegneristiche per una vasta gamma di applicazioni di precisione.” Analog Devices, Inc., novembre 2020.
5 Michael Scheffler e Gerhard Tröster. “Valutazione della redditività dei componenti passivi integrati.” Atti della Conferenza su Progettazione, Automazione e Collaudo in Europa, febbraio 2000.
6 King L. Tai. “System-In-Package (SIP): Sfide e Opportunità.” Atti della Conferenza sull'Automazione della Progettazione in Asia e nel Pacifico Meridionale 2000, gennaio 2000.
7 Domenico Arrigo, Claudio Adragna, Vincenzo Marano, Rachela Pozzi, Fulvio Pulicelli e Francesco Pulvirenti. “La prossima era dell'automazione: come le tecnologie dei semiconduttori stanno cambiando i sistemi e le applicazioni industriali.” ESSCIRC 2022—IEEE 48a Conferenza Europea sui Circuiti a Stato Solido (ESSCIRC), settembre 2022.

8 “Monitoraggio basato sulle condizioni.” Analog Devices, Inc.
9 Yangang Wang, Xiaoping Dai, Guoyou Liu, Daohui Li e Steve Jones. “Una panoramica del packaging avanzato dei semiconduttori di potenza per il sistema automobilistico.” CIPS 2016; 9a Conferenza internazionale sui sistemi di elettronica di potenza integrati, marzo 2016.
10 KM Brown. “System in Package: il Rinascimento del SIP.” Atti della conferenza IEEE del 2004 sui circuiti integrati personalizzati.

Informazioni sull'autore:
Lloben Paculanan è un ingegnere applicativo di prodotto presso Analog Devices a General Trias, nelle Filippine. È entrato in ADI nel 2000, dove ha ricoperto diversi ruoli nello sviluppo hardware, nei test e nell'ingegneria applicativa. Si è occupato dello sviluppo, dell'implementazione di precisione e ad alta velocità delle soluzioni μModule. Si è laureato in Ingegneria Industriale e Tecnologica presso la Cagayan Xavier Atheno University e in Ingegneria Informatica presso la Enverga University.

Informazioni sull'autrice:
Regine Garcia è entrata a far parte di Analog Devices nel 2023 e attualmente ricopre il ruolo di ingegnere applicativo per le soluzioni di catena di segnale di precisione μModule presso ADI a General Trias, nelle Filippine. Ha conseguito la laurea in ingegneria elettronica e delle comunicazioni presso la Saint Louis University di Baguio City.