Com os rápidos avanços na tecnologia de circuitos integrados de muito grande escala (VLSI), surgiu a multifacetada disciplina de aplicações de processamento de sinal, que vai desde as telecomunicações e sistemas de áudio até à automação industrial e eletrónica automóvel. Para suportar estas aplicações, foi necessária uma pesquisa significativa para desenvolver um bloco de cadeia de sinal discreto, linear e preciso de alto desempenho. Este artigo ilustrará como a solução de cadeia de sinal de precisão μModule da ADI aproveita a integração heterogénea através da tecnologia de sistema em pacote (SiP) para satisfazer esta necessidade do mercado, fornecendo aos designers de sistemas uma solução integrada, compacta e altamente personalizável que simplifica o design, melhora o desempenho e poupa tempo de desenvolvimento valioso. ^Esta abordagem oferece uma vantagem significativa para os clientes que desejam ^chegar ao mercado mais rapidamente com tecnologia de ponta.

O que é a tecnologia μModule Precision Signal Chain?
A μModule Precision Signal Chain é uma tecnologia SiP que permite a integração de diversos circuitos, mantendo o mais alto nível de desempenho. As soluções μModule Precision Signal Chain da ADI visam melhorar a densidade num formato mais pequeno, combinando dispositivos de ponta, tecnologia iPassives® e tecnologia avançada de encapsulamento 2.5D/3D, mantendo a gestão inteligente e eficiente dos componentes do sistema (ver Figura 1)^{. ¹} depuração ou otimização de circuitos externos^{adicionais.¹}

Principais Características e Benefícios
: O Poder da Integração:
As soluções de micromódulos para cadeias de sinal de precisão representam um avanço significativo no design de cadeias de sinal, integrando múltiplos componentes analógicos e digitais num único módulo. Isto é possível graças à tecnologia iPassives da ADI, com os nossos circuitos integrados de condicionamento de sinal de alta qualidade, encapsulados em tecnologia SiP para criar dispositivos micromódulos com um desempenho e robustez incomparáveis, bem como ciclos de desenvolvimento excecionalmente curtos. Tal como os circuitos integrados contêm muitos transístores, os componentes passivos integrados podem conter diversos componentes passivos de alta qualidade, encapsulados num módulo muito pequeno ^.

Um único dispositivo pode agora conter sistemas que eram anteriormente soluções ao nível da placa. Ao combinar funções como amplificação, filtragem e conversão analógico-digital, estes módulos eliminam a necessidade de conceber cadeias de sinal complexas utilizando componentes individuais. Isto reduz significativamente os efeitos parasitas de interligação (indutância, capacitância e resistência). Todos estes fatores contribuem para a criação de soluções completas com um excelente desempenho imediato. Desenvolvida em ciclos curtos com uma redução significativa de custos, tudo em encapsulamentos muito compactos^,esta integração não só reduz a área ocupada, oferecendo soluções completas em formatos que otimizam o espaço, como também otimiza o desempenho e a fiabilidade da cadeia de sinal. Os componentes passivos fabricados simultaneamente, nas mesmas condições, têm maior probabilidade de serem compatíveis com os componentes passivos integrados^.

Figura 1. Sistema num Pacote.

Esta solução reduz as iterações de projeto ao transferir a seleção, otimização e disposição dos componentes do projetista para o dispositivo. A ADI produz sistemas de condicionamento de sinal de precisão altamente personalizáveis ​​com desempenho superior, possibilitado pelos nossos processos exclusivos de fabrico de silício^. A Figura 2 ilustra a significativa redução de espaço que esta solução oferece. Além disso, pode reduzir o custo total de propriedade e o tempo de lançamento no mercado para os projetistas de sistemas.

Figura 2. Redução do espaço ocupado pela solução.

Libertar o potencial de desempenho:
As soluções Precision Signal Chain μModule foram concebidas para oferecer um desempenho excecional e satisfazer as crescentes exigências eletrónicas dos clientes, superando as limitações dos projetos de circuitos integrados front-end e das tecnologias de fabrico. Com uma seleção ^_criteriosa de componentes, técnicas precisas de design analógico e otimização avançada de design, estes módulos garantem uma elevada integridade do sinal, baixo ruído e um processamento de sinal preciso. Seja para captar dados de sensores, amplificar sinais ou converter entre os domínios analógico e digital, a solução Precision Signal Chain μModule liberta todo o potencial do processamento de sinal com qualidade intransigente.
^isso , os elementos parasitas interligados, como a resistência e a indutância dos rastos, são minimizados, enquanto os poucos presentes são altamente previsíveis e podem ser contabilizados de forma fiável. A Figura 3 mostra o desempenho superior do ADAQ4003 em diferentes ganhos para várias frequências de entrada.

Figura 3. Desempenho do ADAQ4003. Gama dinâmica do ADAQ4003, com relação sinal-ruído (SNR) versus taxa de sobreamostragem (OSR) para diversas frequências de entrada. 4

Personalização e flexibilidade

Além de oferecerem integração, as soluções de cadeia de sinal de precisão μModule também proporcionam aos designers de sistemas flexibilidade no design da cadeia de sinal. São altamente configuráveis, permitindo aos utilizadores adaptar os parâmetros e as características da cadeia de sinal aos requisitos específicos das suas aplicações através do particionamento inteligente de todos os componentes, como se pode ver na Figura 4. Com opções de ganho, largura de banda, filtragem e outras características personalizáveis ​​ajustáveis, estas soluções oferecem uma plataforma versátil que atende a uma vasta gama de desafios de design.

Figura 4. Diagrama de blocos simplificado da unidade de medida da fonte. 4

Menor custo total de propriedade:
^sistema ao longo da sua vida útil. Pela sua própria natureza, os dispositivos discretos degradam invariavelmente o seu desempenho com o aumento da temperatura de funcionamento e da vida útil do circuito. Um sistema construído com uma solução de micromódulo (μModule) de cadeia de sinal de precisão apresenta custos secundários mais baixos, uma vez que os componentes passivos que afetam o desempenho e a produção durante o fabrico são integrados no dispositivo μModule. A Figura ⁵ ilustra a redução dos custos secundários quando é utilizada uma solução de micromódulo (μModule) de cadeia de sinal de precisão em vez de uma cadeia de sinal discreta.

Figura 5. Custos secundários.

Os limites refletidos na folha de dados para uma cadeia de sinal de um μMódulo abrangem todo o desempenho da cadeia de sinal; permitem, portanto, um desempenho consistente e uma elevada produtividade de fabrico, reduzindo a ocorrência de problemas de desempenho na linha de produção e ajudando a minimizar os custos de suporte e a maximizar a produtividade.^{Além disso}
, como os componentes passivos são parte integrante de todos os subsistemas electrónicos, a sua integração no substrato oferece potencial para melhoria de desempenho. Esta integração reduz as fontes de erro dependentes da temperatura. Ademais, elimina a necessidade de calibrar a cadeia de sinal para a temperatura durante o fabrico, o que é notoriamente demorado e dispendioso (ver Figura 6). A minimização do número de componentes discretos e interligações na placa de circuito impresso também melhora a fiabilidade do sistema devido ao menor número de juntas de soldadura, reduzindo assim os custos de suporte^.

Facilidade de utilização e prototipagem rápida:
A solução de cadeia de sinal de precisão μModule simplifica o processo de design e reduz significativamente o tempo de desenvolvimento. O tempo de projeto é reduzido porque os núcleos são pré-projetados, fabricados, caracterizados e testados. As soluções de cadeia de sinal de precisão μModule vêm com cadeias de sinal pré-configuradas e uma vasta gama de características de suporte, tais como placas de avaliação e kits de desenvolvimento de software, resultando num bom desempenho e numa fase de design otimizada.

A Figura 7 mostra um exemplo de um kit de cadeia de sinal que demonstra as capacidades das soluções μModule de cadeia de sinal de precisão.

Figura 6. Redução do custo total de propriedade através da tecnologia de micromódulos de cadeia de sinal de precisão.

Figura 7. O kit de cadeia de sinal ADSKPMB10-EV-FMCZ.

Do ponto de vista do projetista, a tecnologia iPassives da ADI pode ser vista como uma ferramenta de projeto flexível para produzir soluções de micromódulos de cadeia de sinal de precisão que permitem o desenvolvimento de sistemas em ciclos de desenvolvimento excecionalmente curtos. ² Os projetistas de sistemas podem concentrar-se no design e na funcionalidade do sistema, em vez de lidar com a implementação complexa ao nível do circuito. A prototipagem rápida e a validação do sistema são simplificadas, permitindo prazos agressivos desde a definição do sistema até à entrega dos componentes para aplicações inovadoras.
Para responder às diversas exigências do mercado, a ADI oferece um amplo portefólio de conversores integrados e de propósito específico para suportar uma vasta gama de setores.

Aplicações em todos os setores
As soluções de micromódulos para cadeia de sinal de precisão oferecem uma vasta gama de aplicações em diversos setores, abrangendo diversas áreas, como as seguintes:

Comunicações:
A maioria dos produtos de comunicação sem fios requer eletrónica digital, analógica e de radiofrequência (RF) para facilitar a transmissão e receção ininterrupta de sinais. As soluções de micromódulos (μModule) para cadeias de sinal de precisão alcançam este objetivo, melhorando o desempenho dos transcetores, das estações base e da infraestrutura de rede. Estas soluções oferecem uma forma eficaz de mitigar a interferência eletromagnética causada pelas contrapartes digitais da eletrónica de RF sensível ao ruído, separando os circuitos de RF dos digitais^.

Um exemplo é o ADAQ8092 (Figura 8), um sistema SIP de dois canais que integra três blocos comuns de processamento e condicionamento de sinal para suportar uma grande variedade de aplicações de desmodulação e aquisição de dados. O dispositivo integra todos os componentes ativos e passivos numa cadeia de sinal completa, reduzindo a área ocupada até seis vezes em comparação com uma solução discreta. Os condensadores de desacoplamento da fonte de alimentação integrados melhoram o desempenho de rejeição da fonte de alimentação, tornando-o uma solução de aquisição de dados robusta. O ADAQ8092 opera com fontes de alimentação digitais de 3,3 V a 5 V e analógicas de 1,8 V. As saídas digitais podem ser CMOS, CMOS de taxa de dados dupla ou LVDS de taxa de dados dupla.

Figura 8. Diagrama de blocos do ADAQ8088.

Figura 9. Diagrama de aplicação típico de um sistema DAQ com isolamento de canal.

Automação Industrial:
Com foco nas aplicações industriais, os recentes avanços na tecnologia de semicondutores estão a possibilitar tendências inovadoras em três direções principais: densidade de potência e eficiência energética, a ubiquidade do controlo digital de energia e segurança.⁷

Cadeia de sinal de precisão

As soluções de cadeia de sinal de precisão da μModule permitem o processamento preciso de sinais para sistemas de automação industrial, garantindo uma medição, controlo e atuação exatos.
As redes de comunicação industrial impulsionam cenários de fabrico inteligentes e seguros, proporcionando uma comunicação em tempo real entre máquinas e sistemas de controlo. A solução de cadeia de sinal de precisão da μModule possibilita o desenvolvimento de sistemas de controlo digital juntamente com soluções de conectividade inovadoras para garantir a segurança humana em todos os momentos^.

A segurança do sistema é essencial para garantir a segurança das pessoas e proteger o ambiente. 7 Os recentes avanços nas novas opções de processo para as tecnologias de semicondutores garantem que não são necessários compromissos para resolver os problemas de baixa velocidade de comunicação, elevado consumo de energia, tamanho considerável e fiabilidade dos sistemas de controlo de segurança.
As soluções de micromódulos (μModule) para cadeias de sinal de precisão oferecem uma abordagem integrada em termos de economia de espaço, baixo consumo de energia, excelente fiabilidade e velocidade de comunicação.

Os sistemas de automação industrial recolhem dados de múltiplos nós sensores e transmitem-nos para um sistema central de monitorização de condições para análise. A monitorização baseada na condição (CbM) é uma estratégia de manutenção preventiva que monitoriza continuamente a condição dos ativos utilizando vários tipos de sensores. O CbM pode ser utilizado para estabelecer tendências, prever falhas, estimar a vida útil dos ativos e aumentar a segurança nas fábricas. ^Para
irá operar alterando os registos através da sua interface SPI ou utilizando um método simples de interligação de pinos por hardware para configurar o dispositivo para operar em vários modos predefinidos.

Soluções para testes na indústria automóvel.
A inovação e otimização de soluções de micromódulos para cadeias de sinal de precisão proporcionam interligações robustas e suporte mecânico, alta fiabilidade e um produto compacto e económico que ajuda a satisfazer as necessidades da indústria automóvel.⁹ Estas soluções são utilizadas em aplicações como sistemas de infoentretenimento, controlo do grupo motopropulsor, sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) e melhorias na segurança, conforto e desempenho do veículo.

Os avanços tecnológicos aumentam a complexidade, exigindo, por isso, novos métodos de simulação e verificação. Para evitar simulações impraticáveis, pode ser utilizado um gémeo digital. Um gémeo digital é uma representação virtual de um sistema físico real.^Este método pode ajudar a reduzir custos, acelerar os ciclos de desenvolvimento ou permitir a otimização geral do sistema.
Como exemplo do mercado automóvel, o hardware-in-the-loop (HIL) é uma técnica de gémeo digital utilizada para testar sistemas complexos em tempo real, como unidades de controlo eletrónico (ECUs), sistemas de direção assistida, sistemas de suspensão, sistemas de gestão de baterias ou qualquer outro subsistema de um veículo. O amplo portfólio de produtos da ADI para condicionamento de sinal, aquisição de dados, geração de sinal e isolamento permite-lhe oferecer soluções otimizadas para simuladores HIL. Especificamente, o ADAQ23878 com escalonamento de sinal reduz o número de componentes no sistema final, combinando múltiplos blocos comuns de processamento e condicionamento de sinal num único dispositivo, incluindo um controlador ADC totalmente diferencial (FDA) de baixo ruído, um buffer de referência estável e um ADC de registo de aproximação sucessiva (SAR) de alta velocidade, 18 bits e 15 MSPS^.

Figura 10. Placa de avaliação EVAL-ADAQ238

Conclusão:
A nova diretriz da tecnologia de circuitos integrados é otimizar o processo de desenvolvimento utilizando a integração heterogénea da tecnologia SiP. 10 A introdução de soluções de micromódulos de cadeia de sinal de precisão transformou a abordagem dos projetistas de sistemas em relação ao design de cadeias de sinal. Esta solução oferece integração, características de alto desempenho, flexibilidade e facilidade de utilização, mantendo capacidades de processamento de sinal excecionais. À medida que a tecnologia continua a avançar, as soluções de micromódulos de cadeia de sinal de precisão estão posicionadas para desempenhar um papel crucial na viabilização de aplicações inovadoras em diversos setores, contribuindo para o avanço dos sistemas eletrónicos.

Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer a Stuart Servis pelas suas contribuições técnicas para este artigo.

Referências
1 “Soluções de µmódulos para cadeias de sinal de precisão.” Analog Devices, Inc.
2 Mark Murphy e Pat McGuinness. “Utilização de componentes passivos integrados em micromódulos SIPs.” Diálogo Analógico, vol. 52, nº 10, outubro de 2018.
3 Man-Lung Sham, YC Chen, LW Leung, Jyh-Rong Lin e Tom Chung. “Desafios e oportunidades no negócio dos sistemas em pacote (SiP).” 7th International Conference on Electronic Packaging Technology, Agosto de 2006.
4 Maithil Pachchigar. “A solução de aquisição de dados de µmódulos facilita os desafios de engenharia para um conjunto diversificado de aplicações de precisão.” Analog Devices, Inc., novembro de 2020.
5 Michael Scheffler e Gerhard Tröster. “Avaliando a rentabilidade de componentes passivos integrados.” Actas da Conferência sobre Design, Automação e Teste na Europa, Fevereiro de 2000.
6 King L. Tai. “Sistema em Pacote (SIP): Desafios e Oportunidades.” Proceedings of the Conference on Project Automation in Asia and South Pacific 2000, Janeiro de 2000.
7 Domenico Arrigo, Claudio Adragna, Vincenzo Marano, Rachela Pozzi, Fulvio Pulicelli e Francesco Pulvirenti. “A Próxima Era da Automação: Como as Tecnologias de Semicondutores estão a Mudar os Sistemas e Aplicações Industriais.” ESSCIRC 2022—48ª Conferência Europeia de Circuitos de Estado Sólido do IEEE (ESSCIRC), setembro de 2022.

8 “Monitorização baseada em condições.” Analog Devices, Inc.
9 Yangang Wang, Xiaoping Dai, Guoyou Liu, Daohui Li e Steve Jones. “Uma visão geral da embalagem avançada de semicondutores de potência para o sistema automóvel.” CIPS 2016; 9th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, março de 2016.
10 KM Brown. “Sistema em Pacote: O Renascimento do SIP.” Anais da Conferência IEEE de 2004 sobre Circuitos Integrados Personalizados.

Sobre o autor:
Lloben Paculanan é engenheiro de aplicação de produtos na Analog Devices em General Trias, Filipinas. Ingressou na ADI em 2000, onde trabalhou em diversas funções de desenvolvimento de hardware, testes e engenharia de aplicações. Tem-se dedicado ao desenvolvimento, à implementação de precisão e de alta velocidade de soluções de micromódulos. Licenciou-se em Engenharia e Tecnologia Industrial pela Universidade Xavier Atheno de Cagayan e em Engenharia Informática pela Universidade Enverga.

Sobre a autora:
Regine Garcia juntou-se à Analog Devices em 2023 e é atualmente engenheira de aplicação de produtos para as soluções de cadeia de sinal de precisão μModule na ADI em General Trias, Filipinas. Obteve o seu diploma de bacharel em engenharia eletrónica e de comunicações pela Universidade Saint Louis em Baguio City.