高通道密度和电池供电便携式系统挑战的解决方案.doc

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1、高通道密度和电池供电便携式系统挑战的解决方案　　简介　　工业、仪器仪表、光通信和医疗保健行业有越来越多的应用开始使用多通道数据采集系统，导致印刷电路板（PCB）密度和热功耗方面的挑战进一步加大。这些应用对高通道密度的需求，推动了高通道数、低功耗、小尺寸集成数据采集解决方案的发展。这些应用还要求精密测量、可靠性、经济性和便携性。系统设计人员在性能、热稳定性和PCB密度之间进行取舍以维持最佳平衡，并且被迫不断寻找创新方式来解决这些挑战，同时要将总物料（BOM）成本降低最低。本文重点说明多路复用数据采集系统的设计考虑，并聚焦于通过

2、集成多路复用输入ADC解决方案来应对空间受限应用（如光收发器、可穿戴医疗设备、物联网IoT和其他便携式仪器）的这些技术挑战。本文提出的低功耗解决方案采用集成式多路复用输入4通道/8通道、16位、250kSPSPulSARADCAD7682/AD7689，其提供2.39mm×2.39mm小型晶圆级芯片规模封装（WLCSP），可节省60%以上的板空间，能够很好地解决高通道密度和电池供电便携式系统的挑战，同时具有灵活的配置和高精度性能。　　多路复用数据采集系统　　多通道数据采集系统通常采用不同类型的分立单通道或集成多路

3、复用且同步采样的模拟信号链来与各类传感器（如温度、压力、振动传感器及基于应用要求的其他许多传感器）接口。例如：将多个输入通道复用至一个ADC，各通道均使用一个采样保持放大器，以及将多个输入通道复用至一个ADC，各通道均使用一个ADC以便对各通道同步采样。第一种情况通常使用逐次逼近型（SAR）模数转换器（ADC），如图1所示。它能节省相当多的功耗、空间和成本，各通道的输入端可能需要低通抗混叠滤波器，其通道切换和顺序与ADC转换时间正确同步。第二种情况如图2所示，可实现的吞吐速率要除以同步采样的通道数，但采样通道之间仍可以保持恒

4、定的相位。如图3所示，某些应用要求每个通道使用专用放大器和ADC并对输入同步采样，以提高每通道的采样速率并保护相位信息，代价是板面积和功耗会增加。同步采样ADC通常用于自动测试设备、电力线监控和多相电机控制，这些应用要求各通道以较高吞吐速率连续采样，以保护通道之间的相位关系，实现精确的瞬时测量。　　　　图1.简化多通道数据采集信号链——第一种情况　　　　图2.简化多通道数据采集信号链——第二种情况　　　　图3.简化多通道数据采集信号链——第三种情况　　多路复用的关键优势在于每个通道需要的ADC数量较少，因而空间、功耗和成本更

5、低。然而，多路复用系统可实现的吞吐速率等于单一ADC吞吐速率除以采样通道数。SAR型ADC具有低延迟和动态功耗与吞吐速率成比例的固有优点。它们常用于通道复用架构，非常适合于检测和监控功能。光收发器模块采用的多路复用数据采集系统需要高通道密度，可穿戴医疗设备要求小尺寸和低功耗，来自多个传感器的信号需要监控，多个输入通道复用到单个或多个ADC。多路复用数据采集系统的主要挑战之一是，当输入切换到下一通道时，它需要快速响应接近满量程幅度的步进输入，以使建立时间或串扰问题最小化。下面介绍基于SAR架构的多路复用输入ADC用于光收发器和

6、可穿戴电子设备的实际例子，其中解释了为什么AD7689是此类应用的理想选择。　　光收发器　　100Gbps光收发器市场在未来十年将迎来增长机会，因为它支持高速相干光传输。光收发器的关键挑战是采集并处理更宽带宽的信号，或以更低的功耗在更小的空间中复用多个输入通道。当今收发器最初是针对远程应用而设计的，尺寸、功耗和成本结构限制了其在对成本更敏感的城域网中的使用。城域网包括：都会区域500km至1000km、都会核心100km至500km和都会接入100km以下应用。由于城域网竞争激烈，空间溢价相当高，使得线路卡密度异常重要，因此

7、，较低成本的光线路卡或较小尺寸的插接式模块对相干应用越来越重要。　　在光网络中，随着每通道的比特率从10Gbps提高到100Gbps或更高，光纤非理想因素会严重降低信号质量，影响其传输性能。当光纤缺陷引起光噪声、非线性效应和消散等不利影响时，远程光网络也会产生技术挑战。为了应对这些重大挑战，许多40Gbps和100Gbps光收发器制造商使用相干技术来支持更高数据速率连接、最大的覆盖范围和更长的距离，以适应城域远程、远程和超远程网络需求。相干技术一般会整合多级信号格式和相干检测，利用双重极化、正交和相移键控（DP-QPSK）优

8、化信号调制，从而抑制较高数据速率时的光纤影响，使得100Gbps传输在经济上和技术上可行。下一代100Gbps（及以上）数据速率光收发器将要求更低的功耗和更小的尺寸，以便提高通道密度，大幅节省空间、功耗和成本。根据具体要求，光系统的通道数通常在8到64之间。对PCB设计人员而言，元件放置和