在廣泛應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)電子產(chǎn)品的預(yù)計(jì)收入增長率將保持強(qiáng)勁增長，這些物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用包括視覺對象識別，語音識別，機(jī)器自動(dòng)化，健康和健身應(yīng)用，環(huán)境和能源控制等。這些設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組件是相關(guān)傳感器和計(jì)算邏輯之間的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC，analog-to-digital conversion)功能。

　　Synopsys最近發(fā)布了一個(gè)在線網(wǎng)絡(luò)研討會，該網(wǎng)絡(luò)研討會提供了有關(guān)為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)計(jì)選擇ADC IP的架構(gòu)要求和技術(shù)挑戰(zhàn)的見解。Synopsys的模擬和無線IP產(chǎn)品營銷經(jīng)理Manuel Mota在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案時(shí)討論了模擬傳感器數(shù)據(jù)采集的工程設(shè)計(jì)權(quán)衡問題。

　　Manuel描述了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的產(chǎn)品差異化，從終端設(shè)備到傳感器集線器(Hubs)。

　　在物聯(lián)網(wǎng)(Iot)應(yīng)用的端點(diǎn)處施加了非常嚴(yán)格的功耗限制，這個(gè)嚴(yán)格的功耗要求對ADC所要求的電源管理功能有所影響。成本和功耗限制正在推動(dòng)多種知識產(chǎn)權(quán)(IP)的集成整合。 “55納米工藝的器件是目前物聯(lián)網(wǎng)(IoT)電子產(chǎn)品的熱衷的工藝節(jié)點(diǎn)。但是隨著40納米非易失性存儲器的推出，40nm工藝將很快成為首選節(jié)點(diǎn)。“，Manuel表示。而另一方面，要求高性能計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用正在尋求更加積極的工藝節(jié)點(diǎn) - 然而，仍然需要為這些傳感器集線器(Hubs)集成的ADC IP。

　　ADC架構(gòu)

　　有幾種ADC架構(gòu)目前被業(yè)界所廣泛使用 - 例如流水線型，閃存比較器，逐次逼近寄存器(SAR，successive approximation register)，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器。 “SAR架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)計(jì)的合適選擇，因?yàn)樵摷軜?gòu)能夠在低功耗和高帶寬之間保持適當(dāng)?shù)钠胶狻！盡anuel強(qiáng)調(diào)說。

　　SAR ADC的功耗隨采樣率而變化。對于許多物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用而言，適度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率已足夠了，從而節(jié)省功耗。

　　SAR ADC的框圖如下所示。輸入到ADC的傳感器電壓采樣通過對n位寄存器輸出進(jìn)行n次連續(xù)比較?？刂七壿嬓蛄型ㄟ^n個(gè)周期控制，其中SAR寄存器的每個(gè)位從MSB到LSB設(shè)置為“1”或“0”。

　　SAR的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)是內(nèi)部n位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的實(shí)現(xiàn)。對于第一個(gè)周期，SAR MSB寄存器位設(shè)置為'1'，所有位先前已被清零。將DAC提供的相應(yīng)電壓(Vref / 2)與采樣的傳感器輸入電壓進(jìn)行比較。基于比較器輸出，MSB保持'1'(Vin> Vref / 2)或復(fù)位為'0'(Vin<vref p="" 2)。下一個(gè)周期以類似的方式評估(msb-1)位置處的比特值，重復(fù)vin與dac輸出電壓比較過程直至lsb比特位。下面顯示了一個(gè)簡單的4位比較序列。

　　SAR的關(guān)鍵特征是內(nèi)部DAC的準(zhǔn)確性。下面描述了一個(gè)簡化圖示，說明了DAC + 比較器中所使用到的縮放電容陣列。

　　采樣過程中，傳感器電壓連接到所有電容處，將總電容充電至Vin。采集完成后，從MSB到LSB每個(gè)比特位電容都會依次切換。每個(gè)電容值的縮放提供了一個(gè)耦合事件，其大小是Vref的二分之一的n次冪，即從1/2下降到1 /(2 ** n)。比較器確定耦合轉(zhuǎn)換是大于還是小于與Vin采樣關(guān)聯(lián)的原始存儲電荷值。在比較器建立時(shí)間之后，在評估下一個(gè)比特位之前，SAR寄存器比特值保持為'1'或重置為'0'。

　　與制造DAC電容器陣列有關(guān)的制造變化。 SAR控制邏輯可能會包含一個(gè)校準(zhǔn)模式來提供誤差補(bǔ)償。

　　SAR ADC IP還可能集成一個(gè)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，以將SAR ADC IP與SoC電源噪聲隔離。

　　Manuel 還描述了在ADC中實(shí)現(xiàn)的額外功率狀態(tài)，以符合聚焦功耗降低的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。下圖說明了從簡單的控制邏輯選通到完全深度睡眠狀態(tài)的功率狀態(tài)，其中包括采樣率的示意圖，還包括電源門控恢復(fù)后的重新校準(zhǔn)。

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）ADC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　Manuel描述了將傳感器連接到ADC的一些工程設(shè)計(jì)中的權(quán)衡。

　　傳感器的輸出電阻

　　高傳感器的輸出電阻的后果是對ADC的輸入電容充電導(dǎo)致的一個(gè)較長的時(shí)間常數(shù) - 或者需要更長的采樣時(shí)間，或者緩沖器將需要被插入在傳感器和ADC輸入端之間，這種設(shè)計(jì)將對IP的面積和功率產(chǎn)生影響。

　　傳感器電壓偏移

　　通常，ADC的Vref被編程為匹配傳感器的Vin電壓范圍。然而，有限的幅度擺幅的傳感器可能需要插入一個(gè)放大器以實(shí)現(xiàn)所需的分辨率，并對面積，功率和Vin噪聲幅度等產(chǎn)生影響。

　　傳感器噪聲電壓

　　說到傳感器的輸入噪聲，如果傳感器數(shù)據(jù)采集速率允許，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可能會選擇追求過采樣率來平均掉輸出噪聲。

　　ADC集成選項(xiàng)

　　ADC的電氣和架構(gòu)集成都存在挑戰(zhàn)。從電氣上講，ADC IP應(yīng)與SoC上的其他噪聲源隔離。內(nèi)部LDO提供電源隔離。Manuel還建議關(guān)注接地面上和襯底的基底噪聲源 - 其中的一個(gè)選擇是從IoT SoC系統(tǒng)時(shí)鐘移位采樣間隔，以盡量減少暴露于從數(shù)字開關(guān)活動(dòng)的接地反彈噪聲的影響。

　　在架構(gòu)上，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)計(jì)人員面臨著SoC封裝引腳的折衷，要觀察的傳感器數(shù)量以及(可能)需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。下圖顯示了傳感器多路復(fù)用和采樣率交錯(cuò)的雙ADC的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　設(shè)計(jì)中需要對ADC輸出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的權(quán)衡，而在SoC內(nèi)的內(nèi)部總線通信流量方面的設(shè)計(jì)可能需要結(jié)合一個(gè)本地FIFO存儲器，然后從傳感器(S)發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)。