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简介
工业、仪器仪表、光通信和医疗保健职业有越来越多的运用开始运用多通道数据收集体系，导致印刷电路板 (PCB) 密度和热功耗方面的应战进一步加大。这些运用对高通道密度的需求，推动了高通道数、低功耗、小尺度集成数据收集处理方案的开展。这些运用还要求精细丈量、可靠性、经济性和便携性。体系规划人员在功用、热安稳性和PCB密度之间进行取舍以坚持最佳平衡，而且被逼不断寻觅立异方法来处理这些应战，一起要将总物料 (BOM) 本钱下降最低。本文要点阐明多路复用数据收集体系的规划考虑，并聚集于经过集成多路复用输入ADC处理方案来应对空间受限运用（如光收发器、可穿戴医疗设备、物联网IoT和其他便携式仪器）的这些技能应战。本文提出的低功耗处理方案选用集成式多路复用输入4通道/8通道、16位、250 kSPS PulSAR® ADCs AD7682/AD7689，其供给2.39 mm × 2.39 mm小型晶圆级芯片规划封装 (WLCSP)，可节约60%以上的板空间，可以很好地处理高通道密度和电池供电便携式体系的应战，一起具有灵敏的装备和高精度功用。
多路复用数据收集体系
多通道数据收集体系一般选用不同类型的分立单通道或集成多路复用且同步采样的模仿信号链来与各类传感器（如温度、压力、振荡传感器及依据运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，各通道均运用一个采样坚持放大器，以及将多个输入通道复用至一个ADC，各通道均运用一个ADC以便对各通道同步采样。第一种状况一般运用逐次迫临型 (SAR) 模数转化器 (ADC)，如图1所示。它能节约适当多的功耗、空间和本钱，各通道的输入端或许需求低通抗混叠滤波器，其通道切换和次序与ADC转化时刻正确同步。第二种状况如图2所示，可完成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坚持安稳的相位。如图3所示，某些运用要求每个通道运用专用放大器和ADC并对输入同步采样，以进步每通道的采样速率并维护相位信息，价值是板面积和功耗会添加。同步采样ADC一般用于主动测试设备、电力线监控和多相电机操控，这些运用要求各通道以较高吞吐速率接连采样，以维护通道之间的相位联系，完成精确的瞬时丈量。
多路复用的要害优势在于每个通道需求的ADC数量较少，因而空间、功耗和本钱更低。但是，多路复用体系可完成的吞吐速率等于单一ADC吞吐速率除以采样通道数。SAR型ADC具有低推迟和动态功耗与吞吐速率成份额的固有长处。它们常用于通道复用架构，十分适宜于检测和监控功用。光收发器模块选用的多路复用数据收集体系需求高通道密度，可穿戴医疗设备要求小尺度和低功耗，来自多个传感器的信号需求监控，多个输入通道复用到单个或多个ADC。多路复用数据收集体系的首要应战之一是，当输入切换到下一通道时，它需求快速呼应挨近满量程起伏的步进输入，以使树立时刻或串扰问题最小化。下面介绍依据SAR架构的多路复用输入ADC用于光收发器和可穿戴电子设备的实践比如， 其间解说了为什么AD7689是此类运用的抱负挑选。
光收发器
100 Gbps光收发器商场在未来十年将迎来添加时机，因为它支撑高速相干光传输。光收发器的要害应战是收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。当今收发器开始是针对长途运用而规划的，尺度、功耗和本钱结构约束了其在对本钱更灵敏的城域网中的运用。城域网包含：都会区域500 km至1000 km、都会中心100 km至500 km和都会接入100 km以下运用。因为城域网竞赛剧烈，空间溢价适当高，使得线路卡密度反常重要，因而，较低本钱的光线路卡或较小尺度的插接式模块对相干运用越来越重要。
在光网络中，跟着每通道的比特率从10 Gbps进步到100 Gbps或更高，光纤非抱负要素会严峻下降信号质量，影响其传输功用。当光纤缺点引起光噪声、非线性效应和散失等晦气影响时，长途光网络也会发生技能应战。为了应对这些严重应战，许多40 Gbps和100 Gbps光收发器制作商运用相干技能来支撑更高数据速率衔接、最大的掩盖规划和更长的间隔，以习惯城域长途、长途和超长途网络需求。相干技能一般会整合多级信号格局和相干检测，运用两层极化、正交和相移键控 (DP-QPSK) 优化信号调制，然后按捺较高数据速率时的光纤影响，使得100 Gbps传输在经济上和技能上可行。下一代100 Gbps（及以上）数据速率光收发器将要求更低的功耗和更小的尺度，以便进步通道密度，大幅节约空间、功耗和本钱。依据具体要求，光体系的通道数一般在8到64之间。对PCB规划人员而言，元件放置和走线布线变得重要起来，尤其是高通道密度体系。
图4显现了通用光模块的简化框图，其间包含发射器、接收器、微型ITLA（集成可调谐激光组件）和数据收集器材。图5显现了微型ITLA的简化框图，它是一种宽带电子调谐激光器材，用于操控快速波长切换。发射器包含Mach-Zehnder驱动器和调制器，用以操控出射激光的起伏或强度。多路复用输入ADC一般用在操控和监测功用中，以便对来自光模块和微型ITLA的多个通道的数据进行数字化。
运用可穿戴电子设备监测生命体征
图6显现了典型可穿戴电子设备的扼要框图。现代可穿戴电子设备集成了多种传感器来实时精确监测人体多种生物方针。它们供给灵敏的用户接口用于数据存储，经过Wi-Fi将数据传输到个人智能手机、平板电脑或笔记本电脑。此类设备运用生物电位、生物阻抗或光传感器来获取有关心率、呼吸速率、血氧饱和度 (SpO2) 等多种生命体征的信息。声传感器用来提取有关血压和饮食活动的信息，温度传感器用来丈量体温。依据MEMS的惯性运动传感器（加速度计）用来盯梢每日身体活动。来自不同传感器的信号需求进行模仿信号调度，然后多路复用到ADC。依据体系要求，某些信号或许还需求进行同步采样。ADC随后对这些信号进行数字化，处理器或微操控器终究对其进行后期处理，提取有关各种生理方针的信息。
心电图 (ECG) 传统上用来监测心脏活动，这对生理监测和心脏确诊至关重要。但是，智能可穿戴体系运用光传感器和生物阻抗传感器，支撑将心率监护仪集成到腕表、腕带或活动追寻器等可穿戴电子设备中。
在光体系中，快速闪耀的红外光透射皮肤外表，光电检测器丈量血红细胞吸收的光线。模仿前端调度该弱小信号并将其数字化，然后运用光电脉息波 (PPG) 技能进行后处理，以提取有关心率、呼吸速率和SpO2等多种生理变量的信息。
与光等技能比较，生物阻抗传感器的功耗要低得多，因而可延伸电池续航时刻。生物阻抗传感器可用来丈量呼吸速率或皮肤阻抗。经过电极将一个正弦信号注入皮肤（体安排），丈量、数字化并后处理流过的细小电流，然后精确解读各种生理信号，如呼吸速率、皮肤电导率或肺积水等。
这些设备需求高集成度、十分灵敏、高性价比、高效率、可装入细小模块中的电池供电处理方案。它们有必要精确可靠地监测多种生理变量，一起可以更好地按捺运动发生的伪像和外部环境条件，不然实在信号或许被噪声吞没，导致读数不精确。因而，ADC有必要具有杰出的噪声功用，常常运用过采样或均值法来改进全体动态规划。方针输入频段是从DC到250 Hz，故而ADC采样速率挨近数kSPS。
集成多路复用输入4通道/8通道、16位、250 kSPS ADC
AD7682/AD7689是业界抢先的集成多路复用输入4通道/8通道、16位、250 kSPS SAR型ADC，选用ADI公司专有0.5 μm CMOS工艺制作。集成4通道/8通道低串扰多路复用器引进的邻道间不匹配极小，支撑次序采样。这些ADC答应挑选超低温漂的内部2.5 V或4.096 V精细基准电压源、外部基准电压源或外部缓冲基准电压源，片上温度传感器监控ADC的内部温度典型值。这样就无需外部元件，大幅节约PCB面积和BOM本钱。这些ADC内置一个通道序列器，用于逐一或成对扫描通道，内部温度传感器可以重复使能或禁用。其灵敏的串行数字接口兼容SPI、MICROWIRE、QSPI和其他数字主机。用户可经过内部14位装备寄存器挑选各种选项，包含要采样的通道数、基准电压源、温度传感器和通道序列器。在转化形式、转化后读取形式以及含或不含繁忙指示的转化全程读取形式下，该接口答应履行4线式读操作。AD7682/AD7689十分适宜高通道密度运用，例如光收发器、可穿戴医疗设备和其他用于精细检测与监控的便携式仪器。
图7显现了AD7689用于一个多通道数据收集体系的简化框图，其供给易于运用的灵敏装备选项和精细功用。它能处理与通道切换、序列化和树立时刻相关的杂乱规划问题，节约规划时刻。
关于多通道、多路复用运用，有些规划人员运用低输出阻抗缓冲器处理多路复用器输入端的反冲影响（取决于所用的吞吐速率）。SAR ADC的输入带宽（数十MHz）和ADC驱动器的输入带宽（数十到数百MHz）高于采样频率，而所需输入信号带宽一般在数十Hz到数百kHz规划。因而，依据体系要求，多路复用器输入端或许需求单极点低通RC抗混叠滤波器来消除不需求的信号（混叠），避免其折回到方针带宽中，然后约束噪声并减轻树立时刻问题。各输入通道运用的RC滤波器值应依据以下取舍联系精心挑选（因为过多的限带或许影响树立时刻并添加失真）：电容较大会有助于衰减多路复用器的反冲影响，但也或许会下降前一放大器级的相位裕量，使其变得不安稳。为使RC滤波器具有高Q、低温度系数，而且在改变电压下具有安稳的电气特性，主张运用C0G或NP0型电容。应选用合理的串联电阻值，以坚持放大器安稳并约束其输出电流。电阻值不行过大，不然多路复用器反冲后ADC驱动器将无法对电容再充电。
小尺度
AD7682/AD7689现可供给2.39 mm × 2.39 mm、引脚兼容、晶圆级芯片规划封装 (WLCSP)，它比现有4 mm × 4 mm引线框芯片规划封装 (LFCSP) 或其他同类竞赛器材小60%以上，故而可以在很小的体系空间中完成更高的电路密度。图8所示为小型WLSCP尺度与规范6 mm铅笔尺度比照图。
AD7682/AD7689 WLCSP芯片的有源侧在不和，可以运用焊球衔接到PCB，图11显现了PCB安装后的芯片尺度。PCB安装后芯片外表与基板之间的实践间隔（离板高度）与印刷在基板上的阻焊网和焊盘直径有关。
低功耗
AD7682/AD7689需求一个模仿和数字内核电源 (VDD) 以及一个数字输入/输出接口电源 (VIO)，以便与任何介于1.8 V和VDD之间的逻辑直接接口。VDD和VIO引脚也可以连在一起以节约体系所需的电源数量，而且它们与电源时序无关。这些器材选用5 V (VDD) 和1.8 V (VIO) 电源供电，其功耗与吞吐速率成线性份额联系，故而可以完成十分低的功耗：在选用外部5 V基准电压源的状况下，100 SPS时的典型功耗约为1.7 μW，250 kSPS时为12.5 mW，如图10所示。因而，该ADC具有高效率，对凹凸采样速率（乃至低至数Hz）均适宜，可以很好地支撑便携式和电池供电体系。该器材的重要特性之一是其会在每个转化阶段结束时主动关断，仅耗费十分低的待机电流（典型值50 nA），因而在不运用器材时可以节约电池电量，延伸电池续航时刻。
精细功用
关于需求多个AD7682/AD7689器材的运用，运用内部基准电压缓冲器缓冲外部基准电压会更有用，这样能下降SAR转化串扰。因为内部基准电压约束在4.096 V，因而运用5 V外部基准电压源时SNR功用最佳。关于2 kHz输入信号音，选用5 V外部基准电压源且以250 kSPS全速运行时，它供给超卓的沟通和直流功用：INL为±1.5 LSB，信纳比 (SINAD) 约为93 dB，有用位数 (ENOB) 约为15.2位。图11显现了给定外部基准电压下SNR、SINAD和ENOB的典型功用。
定论
下一代插接式光收发器模块和其他便携式体系需求高效率、小尺度、低本钱数据收集体系。AD7682/AD7689供给业界抢先的集成度和精细功用，支撑广泛的传感器接口，规划人员运用这些器材不仅能满意严苛的用户要求，还能完成体系的差异化。这种高效率集成ADC处理方案可以应对空间受限运用的高电路密度和热功耗应战，与现有LFCSP和竞赛产品比较可节约60%以上的空间，对凹凸采样速率运用都很适宜。
