數據采集系統對模擬器件" title="模擬器件">模擬器件提出的挑戰
眾所周知，近20年來，與數據采集系統相關的PC技術及數字信號處理技術得到了飛速的發展，處理速度提高了三個數量級，PC總線的帶寬獲得了500倍的提高，同時系統工程師的設計難度、系統設計成本都隨著技術的進步和工藝的提高大大降低。另外，USB和以太網接口等接口技術正在數據采集系統中得到越來越廣泛的使用。PC、筆記本電腦甚至PDA基本都配有以太網、USB或IEEE 1394接口，便攜式數據采集系統越來越得到用戶的青睞。這些數字信號處理技術的發展對數據采集系統中模擬信號的處理能力提出了挑戰。為了使數據采集系統整體性能獲得提升，模擬器件也正向著高速度、高精度、低功耗、小封裝和低成本的方向發展。以NI公司的數據采集產品為例，NI公司最新的高性能M和S系列產品使用的是一個或多個16位或更高分辨率的ADC，采樣速率大于1MSPS，PXI-5105則使用了8個12位分辨率、60MSPS采樣率同時進行采樣的ADC。而在八十年代后期的數據采集產品中使用的僅是單個12位分辨率、10KSPS的ADC，而且新產品相對于老產品，成本會更低。
ADI在數據采集系統領域的新技術和產品
針對更高性能和多種多樣的數據采集系統對模擬器件提出的要求，ADI一直在研發上投入大量資金，在技術上不斷創新并傾聽客戶的需求，創造出更新的技術和工藝，并生產出更高性能和更適合客戶使用的產品。圖2是典型數據采集系統的信號處理鏈路。在這個信號處理鏈路中，傳感器、放大器、多路復用器、模數轉換器(ADC)、隔離器等模擬器件的性能直接決定了數據采集系統的整體性能。ADI在這些器件的技術和工藝方面都擁有專利，并提供基于這些先進技術的多種產品。下面將會介紹這些新技術及相關產品。

iCMOS工藝及產品
iCMOS(industrial CMOS)是ADI在工業領域推出的新工藝。這種iCMOS制造工藝能使采用亞微米工藝尺寸的芯片承受高達30V的電壓，如圖3所示。其中可選的漏極擴展允許工作電壓高達50V。除了高壓CMOS外，iCMOS工藝技術包括高壓、完全互補雙極工藝器件，因此iCMOS能夠集合互補雙極工藝的高性能、CMOS工藝的高效率以及高電壓等多種優勢。iCMOS工藝的主要特點是它能使單元電路與襯底之間或單元電路與單元電路之間完全隔離。這就意味著通過對同一單芯片施加多種電源電壓，一顆單芯片能實現5V CMOS電路和16V、24V或30V高電壓的CMOS電路混合和匹配。因此，按照ADI公司的iCMOS工業制造工藝制造的模擬IC允許工業設備開發商采用亞微米尺寸單片集成電路制造工藝將現代數字邏輯電路與高速模擬電路集成在一起，因此iCMOS器件可以實現更高的性能、更高的集成度、更低的功耗并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達到的。

基于iCMOS工藝，ADI推出了模數轉換器、數模轉換器、運算放大器、模擬開關等一系列新產品。AD761x和AD763x就是基于iCMOS工藝的16位和18位分辨率、750KSPS采樣率的PulSAR?誖系列ADC，以滿足工業客戶對更高效率和更低成本的數據轉換器的需要。對于數據采集系統來說，客戶通常需要電平搬移和增益級來滿足不同輸入范圍的雙極性或單極性模擬輸入信號的需要。這種前端信號調理通常是通過外部設置或者編程來實現，是費時和高成本的方法。通過使用ADI專利的iCMOS工業工藝技術，只需要對ADC內部寄存器進行編程，即可非常靈活地實現四種輸入范圍的設置(單極性0~5V，單極性0~10V，雙極性-5V~+5V， 雙極性-10V~+10V)并且無數據延遲。這樣，省去了前端信號調理電路，很大程度上節省了成本，縮小了電路板尺寸，降低了設計復雜度。功能和性能的結合以及50%芯片尺寸的減小和同類產品一半的價格都是前所未有的。
?基于iCMOS工藝，ADI為工業和數據采集應用推出了一系列多路復用器和開關產品——ADG12xx和ADG14xx。它們可以工作在±12V或±15V高電源電壓下。ADG14xx的導通電阻小于5?贅，導通電阻的平坦度小于0.5?贅。相對于工業界中標準導通電阻縮小了約85%，因此減小了開關過程引入到信號中的失真。ADG12xx的關斷電容小于2pF，電荷注入小于1pC，是工業界具有最低電容和電荷注入的開關，非常適合要求低毛刺和快速建立時間的數據采集系統，從而提高了數據采集系統的速度。同時，iCMOS還使這些產品的封裝和功耗大大降低。以ADG1233為例，它是三個SPDT開關，16腳4mm×4mm LFCSP封裝，它的小封裝與同類產品相比節省電路板面積77%，而且超低的功耗（<0.03?滋W）使它也適合于便攜式設備應用。
?AD8250/1是基于CMOS工藝的數字可編程儀表放大器。對于數據采集系統來講，可數字編程的增益能應對不同范圍的輸入信號，簡化系統的設計。同時，AD8250/1具有G歐姆數量級的輸入阻抗以及超低的失真性能使得它可以很好地使前端傳感器與后端ADC相接口。它還具有12MHz的帶寬，0.01%的建立時間0.5?滋s，1?滋V/°C和10ppm/°C的失調電壓和增益漂移，DC~50kHz的80dB(G=1)的共模抑制比，這些特性都使它成為數據采集系統的優選。
iPOLAR工藝及產品
ADI的iPOLARTM制造工藝的推出代表近20年來業界對36V雙極型" title="雙極型">雙極型工藝進行的最重大的再設計。這種新的iPOLAR工藝適合于需要耐高電壓雙極型模擬器件的工業應用，采用iPOLAR工藝的芯片面積比傳統的雙極型工藝減小75％，功耗減小50%，同時具有非常高的性能和功能。它們為工業系統設計工程師提供了一批新的采用非常小的SOT-23封裝的低噪聲、低成本器件。ADI公司開發的iPOLAR 36V工藝借鑒了多年積累的雙極型工藝設計經驗，通過采用一種擁有專利權的深溝道隔離方案使晶體管尺寸降至最小而無需折衷性能。其實現方法是在器件和襯底之間采用一種結隔離方案，而不采用需要掩埋氧化層晶片（SOI襯底）的全介電隔離（DI）工藝。雖然把深溝道隔離方案與大面積襯底集成在一起提出一項額外的工藝開發挑戰，但是與DI工藝相比，其電路優勢是很明顯的。與SOI(絕緣體上硅)晶片工藝相比，iPOLAR工藝除了顯著降低了成本以外，還采用大面積襯底來為有源晶體管提供改進的熱傳導性能，從而在更寬的溫度和電壓范圍內改善了晶體管的特性。圖4是基于iPOLAR工藝制造的晶體管，其芯片面積比老工藝減小75％，從而使電路足夠小以便適合SOT-23封裝。在放大器IC的情況下，所節省的面積允許設計工程師增加一些諸如偏置電流抵消和待機功能。

iPOLAR工藝除了減小管芯面積，還使得NPN和PNP兩種晶體管的帶寬（FΤ）都至少達到750MHz甚至更高，從而顯著提高了標準36V雙極型器件的性能。另外，采用iPOLAR工藝制造的高性能精密雙極型器件沒有使用多發射極結構以便得到最好的1/f噪聲性能，同時精心制造放入基射結以避免早期雙極型工藝中經常會出現的猝發（或稱“爆米花”）噪聲。ADI公司還改善了不同晶體管相結合的“模擬”性能，采用器件匹配和新的射極－基極－集極體系結構來更好地控制重要的電路參數，例如失調電壓和噪聲。
基于iPolar工藝的放大器產品AD8677是廣泛應用的OP07的升級產品，它改進了相位裕量和穩定性，采用SOT-23封裝，節省PCB面積75%，功耗降低50%，并且精度和噪聲都得到了提高。ADA4004是基于iPolar工藝的高精密、低噪聲的放大器。它的輸入失調電壓為40?滋V，噪聲密度只有1.8nV/■，6Hz的1/f噪聲轉折頻率，并且功耗只有1.7mA/amplifier。單運放提供5腳SOT封裝，因此它是應用在要求非常高直流精度、超低噪聲數據采集系統的最佳產品。
iCoupler和isoPower技術
在數據采集系統中，為了保證采集設備以及操作人員的安全，通常需要進行信號的電氣隔離。同時，隔離還可以消除不同測量模塊之間因為存在地回路造成地電壓差導致的測量誤差。傳統的隔離方式是使用模擬隔離，模擬隔離的限制是非線性、溫度漂移、高功耗、大尺寸和高成本。針對模擬隔離的種種局限性，ADI公司推出了全新的數字隔離技術——iCoupler技術。iCoupler技術是一種基于變壓器的隔離方案，其結合了光耦合器、變壓器和半導體技術的優點。該技術通過在半導體上集成微型變壓器來提供隔離，通過在變壓器線圈之間使用特殊的隔離層達到安全識別隔離。它避免了光耦合器中電光轉換的不利特性，與光耦合器相比，iCoupler產品降低了功耗，提高了數據速率并且增強了定時精度，而且還能提供高達5kV的額定隔離電壓。iCoupler技術如圖5所示。因為將微型變壓器結構集成在半導體襯底上，所以iCoupler產品能夠實現高度集成，從而能增加功能、減小尺寸并且降低成本。ADI公司使用其專利技術“刷新”電路解決了變壓器中常見的DC正確性的問題，這種技術在沒有輸入信號變化時按照正確的輸入狀態更新輸出。

?isoPower技術增強了iCoupler技術的可擴縮性和靈活性，它是ADI公司數字隔離產品系列的最新發展。isoPower是指ADI公司使用 iCoupler技術通過集成的DC/DC" title="DC/DC">DC/DC轉換器提供隔離電源的技術。isoPower采用與iCoupler產品中相同的基本技術，在完整的集成開關電源中使用集成的變壓器線圈，內置穩壓器可確保輸出電壓穩定。通過使用iCoupler技術，isoPower可以與標準iCoupler設計集成在一起以構成包括隔離電源和隔離信號的完整集成解決方案。集成的DC/DC轉換器可代替系統中的多個離散器件，從而減小尺寸并降低設計復雜度，因此縮短產品上市的時間。
?iCoupler產品提供各種通道配置和性能級別。這些產品由單、雙、三和四通道的2.5kVRMS系列和5.0kVRMS隔離器系列組成，每一款都提供多種性能/價格選擇。是集成DC/DC變換器的雙通道數字隔離器，該DC/DC變換器提供帶隔離的50mW、+5V穩壓電源。這樣在低功耗隔離設計中無需單獨的隔離DC/DC變換器。
以上是ADI推出的幾項新技術以及相關的產品。ADI公司致力于工業儀表領域已有40多年的歷史，此領域的客戶占ADI客戶基礎的70%，占ADI年收入的40%。針對數據采集系統的發展和客戶需求，ADI不斷擴大研發投入，為數據采集系統提供更先進的技術和產品。然而，隨著半導體工藝和技術的發展，各大半導體廠商在新產品中不斷追求高精度(分辨率)、高速度和低功耗，來滿足各種各樣的需求。但是，這三個最基本的指標卻是相互制約、相互限制的。以模數轉換器為例，理論上，通過提高采樣速率可以得到更高的分辨率，采樣率提高2^N可以得到N比特分辨率的提高，但是這樣是以提高功耗為代價的。同樣，為了提高轉換速率也需要提高工作電流。因此，如何使這三個指標均衡，是對半導體模數轉換器的新挑戰和新要求。公式(1)是半導體業界對模數轉換器整體性能提出的一個新的通用的指標，這個數值越小，表明模數轉換器的性能越好。

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