物联网中不可或缺的关键技术

今年6月份，半导体行业发布了两条引人关注的消息：

一是IC Insights在其5月份发布的（2022 McClean Report）Q2的更新中提到，2021年，Taxes Instruments（TI）凭借141亿美元的模拟销售额和19%的市场份额，继续保持其作为全球领先模拟IC供应商的稳固地位；二是今年下半年全球模拟芯片供货紧张的问题将出现转机，原因是TI表示到第三季度公司芯片产能紧缺情况将得到缓解。为此，行业人士将其解读为：若下半年TI的产能得到提升，则整个模拟芯片行业的供货都将得到缓解，芯片价格也将下跌。在当前几乎所有以数字为中心的系统中，模拟IC仍然是一个关键组件。通常来讲，模拟IC市场的增长/下降速度比整个IC市场的增长/下降速度要慢，但2021年的市场情况恰好相反。IC Insights在其（2022 McClean Report）Q1报告中指出，2020年爆发的新冠病毒对全球经济带来了巨大冲击，然而，2021年的模拟IC市场却出现了前所未有的30%激增，与之对应的是整个IC市场的增幅为26%。预计2022年模拟IC将再次实现两位数的市场增长，增幅达到12%，总销售额约为832亿美元，出货量将增长11%，达到2，387亿只（图1）。

图1：模拟市场销售情况及2022年预测

（图源：IC Insights）

因突出的增长力度和广度，去年的模拟IC市场有可能成为一个值得铭记的市场。IC Insights的数据显示，2021年整个模拟市场的销售额创下了741亿美元的历史新高。其中，全球前十大模拟产品供应商占去了销售额的68%。强劲的需求合并供应链中断问题，致使去年模拟IC的平均售价（ASP）上涨了6%。在此之前，模拟产品ASP增长的年头要回溯到17年前的2004年。2022年，IC Insights跟踪的每个主要通用模拟和特定应用模拟市场类别预计都会出现销售增长，比如细分市场的放大器和比较器约增长7%，汽车特定应用模拟IC的增长将高达17%。

模拟技术：物联网中不可或缺的关键技术

在很多人的印象中，如今的物联网（IoT）大部分创新都集中在数字技术上。从尽人皆知的云计算，到近年来炙手可热边缘智能，这其中数字技术的推动作用大家有目共睹。不过，在讨论中也许我们都忽略了这样一个事实，即物联网的边缘实际上仍然是模拟的，系统必须借助光、压力、温度、位置等检测方案才能获取关键数据。换句话说，物联网实际上是对模拟源生成的数据进行一系列智能处理后所采取的行动，即：模拟部件 + 数字连接及处理 = 有效的物联网部署。

由于模拟技术位于网络的最边缘，模拟层的质量最终决定了系统中其他一切的质量。有噪声的模拟前端会导致数字信息失真，对整个系统产生重大影响。只有把模拟部分做好，数字应用才会更好。此外，对于控制流程的物联网应用程序，数字信息也必须在边缘准确地转换回模拟信号。尽管设计工程师普遍认为，为支持物联网而开发的大多数新产品都是在数字领域，但在未来的许多年里，模拟技术仍将在物联网中发挥关键作用。

信号链是模拟技术的基础，其目的是在实时信息分析的基础上收集和处理数据。通常，模拟信号链产品是指拥有对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能力的集成电路。按照功能划分，模拟信号链芯片可以分为线性产品、转换器产品、接口产品、时钟和定时产品等。其中，线性产品主要包括放大器和比较器，转换器指的是模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）等。

模拟信号链产品的设计考虑

在物联网中，传感信号与无限变化的物理参数有关，比如温度、光线、压力、接近度、速度和触摸，以及流体和液体（包括烟雾、气体等）等。传感器输出的都是幅值较小的电压或电流信号，很难直接转换为数字信号，转换之前必须先要进行信号调理。这里的信号调理技术实际上就是将传感器输出的模拟信号在经过放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后，使其适合模/数转换器（ADC）的输入。采用关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。

图2为典型的IoT系统工作框图。如图所示，信号链从感知模拟世界的传感器开始，接下来是信号放大器、数据转换器、接口以及时钟和定时电路等。一个物联网设备的成功运行在很大程度上取决于这些器件的参数选择。接下来我们就聊一聊物联网设备中放大器和数据转换器这两大关键器件的选择。

图2：IoT系统工作框图，其中红色部分为所涉及的模拟信号链产品（图源：TI）

运算放大器的选择

前文已经提到，在收集压力、温度、振动和光照等信息，并将其将转移到数字域之前，确保信号的准确性非常重要。为了获得最佳的信噪比（SNR），我们需要设计一个低噪声模拟前端和一个能够以高精度捕获传感器信号的ADC。虽然现在器件的集成度越来越高，但有时为了让设计具有更多的可控性和灵活性，工程师们仍然使用单独的运算放大器而不是集成的模拟前端。目前，市场上主要的运算放大器IC供应商有ADI、TI、STMicroelectronics（ST）、ROHM、Microchip、Renesas和NXP等，他们向市场上提供了数以万计的产品供设计师选择。

在寻找最佳运算放大器时，设计师一定要充分考虑放大器是否会降低ADC或DAC的性能，同时还需要考虑信号范围、增益、静态和动态负载以及电源电压。以下是市场上几款性价比较高的运算放大器。

ST TSV772运算放大器

ST的TSV772运算放大器是一种双运放，属于公司高性能5V运放系列，可在2V低电压下工作，具有轨到轨输入和轨到轨输出，增益带宽积（GBW）20MHz，单位增益稳定，压摆率13V/µs，输入电压噪声7nV/rtHz，4kV ESD防护能力（HBM），是一款强大的全能型产品。TSV772的特点是输出电容为47pF，简化了作为A/D转换器输入缓冲器的使用。该器件甚至可以在电池深度放电的情况下运行，推荐应用包括烟雾探测器、太阳能发电机、电信基础设施设备和计算机服务器等。

图3：TSV772运算放大器（图源：贸泽电子）

ADI ADA4077-2双通道放大器

ADI公司的ADA4077-2双通道放大器是一种高精度运算放大器，设计用于过程控制、化学和环境监测、电机控制等。在1kHz时ADA4077-2的典型带宽为3.9MHz，电压噪声为7nV/rtHz。在25℃时，标称电源电压为±15Vdc时的典型功耗仅为400µA。该器件有两个等级可供偏置和热漂移使用，为设计工程师提供了满足预算和封装要求的灵活性。ADA4077-2被认为是为过程控制输入模块等应用设计传感器接口的理想前端放大器。

图4：TSV772运算放大器（图源：贸泽电子）

TI OPAx320/OPAx320-Q1 COS运算放大器

TI公司的OPAx320/OPAx320-Q1 COS运算放大器是低功耗、单电源应用的理想选择，具有低噪声（7nV/rtHz）和高速运算特性，非常适用于驱动采样ADC，还可用于信号调理和传感器放大等应用场合。该系列TI运算放大器采用了零交越失真的线性输入级设计，在整个输入范围内具有出色的共模抑制比（CMRR），典型值为114dB。其输入共模范围在正负电源轨上扩展了100mV。输出电压的轨内典型摆幅小于10mV。OPAx320/OPAx320-Q1的电源电压范围较宽，为1.8V至5.5V，在整个供电范围内具有出色的电源抑制比（106dB）。

图5：OPAx320/OPAx320-Q1 COS运算放大器

（图源：贸泽电子）

如果你打算寻找一个小型运算放大器。TI的TLV9061为单5.5V，具有轨对轨输入和输出摆动功能。该器件价格不高，尺寸小巧，专门为低压操作（1.8V至5.5V）设计，性能规格类似于OPAx316和TLVx316设备。其应用包括：电动自行车、烟雾探测器、暖通空调（HVAC）、电机控制、可穿戴设备、传感器信号调节、条形码扫描仪等。

A/D转换器的选择

与一些数字电路相比，设计混合信号和模拟信号会带来更多的复杂性。A/D转换器的目的是对输入进行量化，这意味着转换器会引入少量误差。A/D转换器的总体性能实际上是一系列参数（如热噪声、抖动和量化噪声）的体现。目前市场上有三种最流行的ADC架构，分别是逐次逼近（SAR）ADC、∑-Δ ADC和Pipeline ADC，相应的产品种类多达数千个。要想为特定应用选择合适的ADC似乎是一项艰巨的任务。在IoT设备中，很大一部分方案可以由逐次逼近（SAR）ADC和∑-Δ ADC来完成。

图6：不同的ADC架构所对应的应用、分辨率以及采样率（图源：ADI）

ADI AD7983模数转换器

ADI的AD7983模数转换器是一款16bit、逐次逼近（SAR）ADC，采用单电源供电。它内置一个低功耗、高速、16位采样ADC和一个多功能串行接口端口。在CNV上升沿，该器件对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0V至REF。基准电压（REF）由外部提供，并且可以独立于电源电压（VDD）。功耗和吞吐速率呈线性变化关系。SPI兼容串行接口还能够利用SDI输入，将几个ADC以菊花链形式连接到一条三线式总线上，并提供可选的繁忙指示。非常适合电池供电设备、数据采集等应用。

图7：AD7983模数转换器（图源：贸泽电子）

TI ADS1278模数转换器

TI的ADS1278模数转换器是一款适和宽带宽应用的24位、144kSPS 8通道同步采样Δ-ΣADC，它的内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现8通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式。同时，ADS1278具有优良的AC和DC特性，采样率最高可以达128Ks／s，62kHz带宽时信噪比可达111dB，失调漂移为0.8μV／℃。数据输出可选帧同步或SPI串行接口，每个接口均支持菊花链连接，可应用于要求严格的多通道信号采集系统，如振动分析、医疗监控、动态应变测量设备等。

图8：ADS1278模数转换器（图源：贸泽电子）

为了节省开发时间，设计师还可以选择使用TI提供的ADS1278EVM-PDK评估模块，这是一套完整的评估/演示套件，它将ADS1278EVM与用作主板的基于DSP的MMB0板组合在一起。该套件包括主板和ADCPro评估软件，可与运行Microsoft Windows操作系统的个人电脑配合使用，以实现对ADS1278器件的完整评估。

本文小结

虽然当前的数字物联网边缘设备能够同时处理多个任务，但模拟传感器在大多数情况下依然仅限于信号增强功能。然而，正是因为模拟信号的准确性要求与物联网的应用密切相关，所以也更加体现了模拟技术在物联网中的重要性。也许这也是模拟和数字技术通吃的设计师非常抢手的原因。

传感器、放大器、数据转换器，这些都是收集和传输数据的器件，它们的存在为物联网更广阔的应用前景提供了动力。作为物联网的起点，物联网工程师需要了解，工程上的挑战是在数字化之前控制信号保真度、放大和滤波，因此，无论是差分放大器、运算放大器还是其他放大器，设计师必须要掌握放大器的基本原理。

另一方面，虽然物联网中的一些数字传感器集成度已经做到非常高，集成的ADC既可以降低开发工作量和成本，又可以减少驱动设备所需的功率，但不可否认的是本地模拟通常可以更准确地表示数据源，单独的A/D转换器其作用仍然至关重要。

审核编辑：彭静