표준화된 맞춤형 솔루션으로 신호 체인 데이터 취득 설계 간소화

신호 체인은 통신, 생체 의학 의료 장치, 산업 자동화, 계측 및 센서, 기타 여러 응용 제품을 위한 수많은 전자 시스템에 필수적인 요소입니다. 시스템 설계자와 하드웨어 설계자는 특정 요구 사항과 실장 면적 감소, 설계 반복 최소화, 시장 출시 가속화라는 요구 사항 사이의 균형을 맞추는 데 여러 물류 및 기술 관련 과제에 직면합니다. 이러한 어려움으로 인해, 응용 제품의 요구 사항에 알맞게 고도로 맞춤화할 수 있는 보다 표준화된 통합 솔루션이 필요해졌습니다.

신호 체인에는 일반적으로 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 연산 증폭기, 디지털 절연기 및 응용 제품별 부품과 같은 디지털 및 아날로그 부품이 포함됩니다. 최적의 솔루션을 개발하려는 엔지니어와 제품 설계자는 부품 선택 시 잡음, 전력 소비, 대역폭, 비용 등을 고려하여 여러 절충점을 모색해야 합니다.

많은 설계자가 자동화된 테스트 장비, 항공, 기계 자동화, 의료, 모니터링, 진단, 이미징 시스템과 같은 응용 제품을 위한 데이터 수집 신호 체인을 제작합니다. 최신 하드웨어 트렌드는 복잡한 설계를 위한 고급 정밀 데이터 변환 성능과 견고성 향상을 요구하며, 종종 열 및 인쇄 회로 기판(PCB) 밀도 제한을 강조합니다.

더 높은 처리량 달성, 시스템 전력 최소화, ADC 입력 보호 및 구동의 과제는 고집적 고객별 집적 회로(IC)를 사용할지 또는 비용 효율적인 개별 표준 부품을 사용할지와 관련하여 설계 상의 충돌을 야기할 수 있습니다. 두 접근 방식 모두 최종 응용 제품을 위한 고성능 정밀 신호 체인 블록을 개발하는 데 드는 연구 개발 비용을 증가시킵니다. 고객별 접근 방식은 일반적으로 더 많은 비용이 드는 반면, 이산 소자 장치는 회로의 작동 온도와 수명에 따라 그 성능이 저하될 가능성이 높습니다.

Analog Devices, Inc.(ADI)는 시스템 인 패키지(SiP) 기술을 통한 이종 통합을 활용하여 밀도, 기능, 성능, 평균 고장 시간 측면에서 향상을 꾀함으로써 주요 데이터 수집 신호 체인 설계 문제를 해결합니다. ADI의 정밀 신호 체인 μModule ® 솔루션은 설계를 간소화하고 성능을 개선하며 개발 시간을 절약하는 소형의 맞춤형 통합 솔루션을 제공합니다.

성능 저하 없이 밀도 개선

고급 정밀 신호 체인에서 가장 중요한 목표는 설계자가 동일한 폼 팩터에 더 많은 채널을 넣거나 채널당 ADC 접근 방식을 채택할 때 성능에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 신호 체인의 밀도를 개선하는 것입니다.

데이터 취득 신호 체인은 공통 모드 전압과 입력 신호가 다른 여러 센서와 인터페이스해야 하는 경우가 많습니다. 일반적인 문제로는 회로 불균형 또는 피드백 및 이득 저항의 불일치로 인해 바람직하지 않은 신호 대 잡음비(SNR), 왜곡, 이득 오차 및 입력 거부율이 발생할 수 있습니다.

ADI의 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 여러 아날로그 및 디지털 부품을 단일 모듈에 통합하여, ADI의 통합 수동 소자 기술인 iPassives와 ADI 신호 조정 IC 및 SiP를 활용합니다. iPassives는 개별적으로 제조되어 PCB에 연결되는 이산 소자 수동 부품을 채택하는 과거의 한계와 복잡성을 해결하고자 수년 전 ADI에서 개발했습니다. 이를 통해 개발자는 동급 최고의 성능과 짧은 개발 주기로 강력한 시스템 솔루션을 만들 수 있는 유연한 설계 도구를 사용할 수 있습니다.

설계자가 μModule 솔루션을 사용하면 기판 레벨 솔루션에서 여러 개의 이산 소자 부품이 필요했던 기능들을 단일 장치처럼 보이는 장치를 통해 구현할 수 있습니다. 또한 잘못된 매칭의 가능성과 실장 면적을 줄일 수 있습니다.

시장 출시 기간 단축

시스템 설계자는 합리적인 가격으로 향상된 속도 성능과 전력 소비 감소를 보장하는 동시에, 더 높은 수준의 통합과 시장 출시 기간 단축을 달성할 수 있습니다. μModule 접근 방식은 공간 효율적인 풋프린트 내에 완벽한 솔루션을 패키징하며, 신호 체인의 성능과 안정성을 최적화합니다.

ADI의 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 시스템 부품을 지능적이고 효율적으로 관리하면서 최고 수준의 장치와 고급 2.5D/3D 조립 공정을 결합하여 더 작은 폼 팩터에서 밀도를 향상시키는 것을 목표로 합니다. 증폭, 필터링, ADC와 같은 기능을 단일 모듈에 결합하면, 개별 부품으로 복잡한 데이터 수집 신호 체인 솔루션을 제작할 필요가 없습니다. 이 접근 방식은 유도 용량, 정전 용량, 저항과 같은 상호 연결 기생을 현저히 줄입니다.

사전 설계, 제작, 특성화 및 테스트된 코어를 갖춘 ADI 정밀 신호 체인 μModule은 설계 시간을 크게 단축할 수 있습니다. 또한 사전 구성된 신호 체인과 평가 기판 및 소프트웨어 개발 키트를 포함한 ADI 지원 리소스도 함께 제공됩니다.

설계자는 부품을 지능적으로 파티셔닝하여 신호 체인의 파라미터와 특성을 특정 응용 제품 요구 사항에 알맞게 조정할 수 있습니다. 가변 이득, 대역폭, 필터링 옵션 및 기타 사용자 지정 기능을 통해 다양한 설계 문제를 해결할 수 있는 다목적 플랫폼이 제공됩니다.

시스템 설계자는 복잡한 회로 수준 구현을 고민하는 대신 μModule을 사용하여 시스템 수준의 설계와 기능에 집중할 수 있으므로 시제품 제작 및 시스템 검증을 더욱 신속하게 수행할 수 있으며, 시스템 정의부 소자터 부품 납품까지 보다 적극적인 프로세스 일정을 추진하여 혁신적인 응용 제품의 시장 출시 기간을 단축할 수 있습니다.

제조 과정에서 성능 및 생산성에 영향을 미치는 수동 소자 부품이 μModule 장치에 통합되어, 조립품 픽 앤 플레이스, 시스템 PCB 생산량 감소, 현장 반품 지원, 신호 체인 보정과 관련된 2차 비용이 절감됩니다. 수동 소자 부품을 PCB 기판에 통합하면 온도에 기인한 오류의 원인을 줄이는 동시에 PCB의 개별 부품과 상호 연결 수를 최소화하여 궁극적으로 납땜 접합부를 줄이고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

ADI의ADAQ7980(그림 1) 및 ADAQ7988 μModules은 4개의 신호 처리 및 조절 블록을 5mm x 4mm LGA 패키지에 통합하는 16비트 ADC 데이터 취득 시스템입니다. 이러한 시스템은 자동화된 테스트 장비, 배터리 구동 계측, 통신, 공정 제어, 의료 기기 등 다양한 응용 분야를 지원합니다. 이 장치는 가장 중요한 수동 소자 부품을 통합하여, 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC를 사용하는 기존의 신호 체인과 관련된 많은 설계 문제를 해결합니다. 또한 호환되는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 사용하여 단일 3선 버스에 여러 장치를 데이지 체인 방식으로 연결할 수 있습니다. ADI는 다음과 같은 SiP의 모든 능동 부품을 설계했습니다.

• 고정밀, 저전력 16비트 SAR ADC
• 저전력, 고대역폭, 고입력 임피던스 ADC 드라이버
• 저전력의 안정적인 레퍼런스 버퍼
• 효율적인 전력 관리 블록

그림 1: ADI의 ADAQ7980 μModule(출처: Analog Devices, Inc.)

정밀 신호 체인 μModule 적용

ADI의 정밀 신호 체인 데이터 취득 μModule 포트폴리오는 다음과 같은 다양한 산업 분야의 광범위한 응용 제품을 지원합니다.

통신. ADAQ8092는 트랜시버, 셀룰러 기지국, 네트워크 인프라 등 다양한 복조기 및 데이터 취득 응용 제품을 위한 14비트, 105MSPS, 고속, 듀얼 채널 데이터 취득 μModule입니다. 이 장치는 신호 컨디셔닝, ADC 드라이버, 전압 레퍼런스 및 ADC를 단일 패키지에 통합합니다. RF와 디지털 회로를 분리하면 잡음에 민감한 RF 전자 제품의 디지털 대응 장치에서 발생하는 전자파 장해를 효과적으로 완화할 수 있습니다.

이 장치는 동급의 개별 솔루션보다 6배 작은 실장 면적에 모든 능동 및 iPassives 부품을 통합하는 완전한 신호 체인을 형성합니다. 전원 공급 장치 감결합 커패시터가 내장되어 있어 전력 공급 제거율 성능이 향상됩니다. ADAQ8092는 3.3V ~ 5V 아날로그 및 1.8V 디지털 전원 공급 장치에서 작동합니다.

산업 자동화. ADAQ7768-1은 신호 컨디셔닝, 변환 및 처리 블록을 캡슐화하는 24비트 정밀 데이터 취득 μModule입니다. 이 장치는 센서를 활용하여 추세를 파악하고, 고장을 예측하며, 자산 수명을 계산하고, 사람의 안전을 보장하는 상태 기반 모니터링(CbM) 응용 제품을 위해 IEPE 센서, 저항 브리지, 전압 및 전류 입력을 포함한 다양한 입력 유형을 지원합니다.

사용자는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 레지스터를 변경하거나 간단한 하드웨어 핀 스트래핑 방법을 사용하는 두 가지 장치 구성 방법으로 ADAQ7768-1을 작동하도록 구성할 수 있습니다. 7개의 핀으로 구성 가능한 이득 설정은 추가적인 시스템 작동 범위를 제공하며, 진폭이 낮은 입력 신호로 향상된 신호 체인 잡음 성능을 지원합니다.

자동차 테스트. ADAQ23878은 전자 제어 장치(ECU), 파워 스티어링 시스템, 서스펜션 시스템, 배터리 관리 시스템 또는 기타 차량 하위 시스템과 같은 복잡한 실시간 시스템을 테스트하는 데 사용되는 디지털 트윈 기술인 HiL(Hardware in the Loop)에 적합한 제품입니다. 또한 자동 테스트 장비 및 비파괴 음향 방출 테스트 응용 제품 등에도 사용할 수 있습니다.

ADAQ23878은 저잡음 FDA, 안정적인 레퍼런스 버퍼, 고속 18비트, 15MSPS SAR ADC를 비롯한 여러 신호 처리 및 컨디셔닝 블록을 단일 장치에 결합합니다. 9mm × 9mm, 0.8mm 피치, 100볼 칩 스케일 패키지 볼 그리드 어레이(CSP_BGA)의 작은 실장 면적으로 성능 저하 없이 더욱 콤팩트한 폼 팩터 장비를 구현할 수 있습니다. 1레인 또는 2레인 출력 모드가 있는 직렬 저전압 차동 신호(LVDS) 디지털 인터페이스를 통해 사용자는 각 응용 제품에 맞게 인터페이스 데이터 전송률을 최적화할 수 있습니다.

결론

디지털 혁신과 자동화로 인해 전기화, 자동차, 디지털 건강, 계측, 스마트 산업, 에너지 및 지속 가능성 분야의 까다로운 응용 제품에 최적화된 신호 체인 데이터 취득 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. ADI 정밀 신호 체인 μModule은 설계자에게 신호 체인 성능 저하 없이 통합과 유연성 간의 최적의 균형을 제공합니다. 많은 개별 부품을 제거하면 시스템 재설계 위험이 줄어들고 시스템 부품 명세서가 간소화되며, 출시 기간이 단축되고 개발 비용이 절감될 수 있습니다.