標準化されたカスタマイズ可能なソリューションで信号チェーンデータ収集設計を簡素化

信号チェーンは、通信、生体医療機器、産業オートメーション、計測器、センサなどのアプリケーションに向けた数多くの電子システムに不可欠です。システム設計者やハードウェア設計者は、フットプリントを縮小し、設計の繰り返しを最小限に抑え、市場投入までの時間を短縮する必要があります。また、特定の要件のバランスを取る上で、多くの物流上の課題や技術的な課題に直面しています。こうした課題から、アプリケーションのニーズに合わせて高度にカスタマイズできる、より標準化された統合ソリューションが求められています。

信号チェーンには通常、A/Dコンバータ（ADC）、オペアンプ、デジタルアイソレータ、特定用途向けコンポーネントなどのデジタルおよびアナログ部品が含まれます。最適なソリューションを構築しようとするエンジニアや製品設計者は、ノイズ、消費電力、帯域幅、コストなど、部品選択における複数のトレードオフに対処しなければなりません。

多くの設計者は、自動試験装置や画像システムなどのアプリケーションや、航空、マシンオートメーション、ヘルスケア、モニタリング、診断などの分野向けに、データ収集信号チェーンを作成しています。ハードウェアのトレンドでは、複雑な設計のための高度な精密データ変換性能と堅牢性の向上が好まれており、多くの場合、熱やプリント回路基板（PCB）密度の制限が強調されています。

より高いスループットの達成、システム電力の最小化、ADC入力の保護と駆動は、高度に集積されたお客様固有の集積回路（IC）の使用や、コスト効率の良いディスクリート標準部品の使用と比較して、設計上の課題をもたらす可能性があります。どちらのアプローチも、最終用途向けの高性能・高精度信号チェーンブロックの開発における研究開発コストを押し上げています。お客様固有のアプローチは通常、よりコストがかかりますが、ディスクリートデバイスは回路の動作温度と寿命にわたって性能が低下する可能性が高くなります。

Analog Devices, Inc.（ADI）は、システムインパッケージ（SiP）技術によるヘテロジニアスインテグレーションを活用し、高密度化、高機能化、高性能化、平均故障時間の延長を実現することで、データ収集信号チェーン設計の主要な問題に対処しています。ADIの高精度信号チェーンμModule®ソリューションは、設計を簡素化し、性能を向上させ、開発時間を節約する、コンパクトでカスタマイズ可能な統合ソリューションを提供します。

性能低下なしに密度を向上

先進的な高精度信号チェーンの主な目標は、設計者が同じフォームファクタに多くのチャンネルを収めたり、チャンネルごとのADCアプローチを採用しようとする中で、性能に悪影響を与えることなく信号チェーンの密度を向上させることです。

データ収集信号チェーンは多くの場合、コモンモード電圧や入力信号が異なる複数のセンサと接続しなければなりません。一般的な問題には、回路の不均衡や、望ましくない信号対ノイズ比（SNR）、歪み、ゲイン誤差、入力除去比をもたらす可能性のある帰還抵抗とゲイン抵抗の不一致があります。

ADIの高精度信号チェーンμModuleソリューションは、ADIの信号コンディショニングICやSiPとともに、同社の統合受動部品技術（iPassives）を使用して、複数のアナログおよびデジタル部品を1つのモジュールに統合します。iPassivesは、別々に製造されPCB上で接続されるディスクリート受動部品を採用することによる過去の制限や複雑さを克服するために、ADIで数年前に開発されました。これにより開発者は、クラス最高の性能と短い開発サイクルタイムで堅牢なシステムソリューションを作成するための柔軟な設計ツールを手に入れることができます。

μModuleソリューションにより、設計者は、従来ボードレベルのソリューションでは複数のディスクリート部品を必要としていた機能を、単一のデバイスで実現することができます。このアプローチは不一致をなくし、フットプリントの小型化を可能にします。

市場投入までの時間を短縮

システム設計者は、手頃な価格で速度性能の向上と消費電力の削減を実現しながら、より高いレベルの統合と市場投入までの時間の短縮を達成することができます。μModuleアプローチは、スペース効率の高いフットプリントにパッケージされた完全なソリューションを可能にし、信号チェーンの性能と信頼性を最適化します。

ADIの高精度信号チェーンμModuleソリューションは、システムコンポーネントのインテリジェントで効率的な管理を維持しながら、トップクラスのデバイスと高度な2.5D/3Dアセンブリプロセスを組み合わせることで、小さなフォームファクタで密度を高めることを目指しています。増幅、フィルタリング、ADCなどの機能を1つのモジュールにまとめることで、個々の部品で複雑なデータ収集信号チェーンソリューションを作る必要がなくなります。このアプローチにより、インダクタンス、キャパシタンス、抵抗などの相互接続寄生が大幅に低減されます。

ADIの高精度信号チェーンμModuleは、設計、製造、特性評価、テスト済みのコアにより、設計時間を大幅に短縮することができます。また、構成済みの信号チェーンや、評価ボードやソフトウェア開発キットなどのADIサポートリソースも付属しています。

設計者は、部品をインテリジェントに構成することにより、信号チェーンのパラメータと特性を特定のアプリケーション要件に合わせて調整することができます。調整可能なゲイン、帯域幅、フィルタリングオプション、その他のカスタマイズ可能な機能により、さまざまな設計課題に対応する汎用性の高いプラットフォームが実現します。

μModuleは、複雑な回路レベルのソリューションを実装する代わりに、システム開発者がシステムレベルの設計と機能に集中できるようにします。これにより、システム定義から部品納入までの工程をより短い納期で計画できるため、プロトタイピングやシステム検証の迅速化、革新的なアプリケーションの市場投入までの時間短縮が可能になります。

製造時に性能と歩留まりに影響を与える受動部品がμModuleデバイスに統合されているため、アセンブリのピックアンドプレース、システムPCBの歩留まり損失、フィールドリターンサポート、信号チェーン較正などの2次コストが低減されます。受動部品をPCB基板に統合することで、PCB上のディスクリート部品と相互接続の数を最小限に抑えながら、温度に依存する誤差源を減らし、最終的にはんだ接合を減らして信頼性を向上させることができます。

ADIのADAQ7980（図1）とADAQ7988 μModuleは、4つの信号処理とコンディショニングブロックを5mm x 4mmのLGAパッケージに統合した16ビットADCデータ収集システムです。これらのシステムは、自動試験装置、バッテリ駆動の計測器、通信、プロセス制御、医療機器など、さまざまなアプリケーションをサポートしています。このデバイスは最も重要な受動部品を内蔵しており、逐次比較レジスタ（SAR）ADCを使用する従来の信号チェーンに関連する多くの設計上の課題を解消しています。さらに、互換性のあるシリアルペリフェラルインターフェース（SPI）により、複数のデバイスを単一の3線式バス上でデイジーチェーン接続することができます。SiPのすべてのアクティブコンポーネントはADIが設計しています。下記にこれらのコンポーネントの例を挙げます。

• 高精度、低消費電力の16ビットSAR ADC
• 低消費電力、高帯域幅、高入力インピーダンスADCドライバ
• 低消費電力の安定したリファレンスバッファ
• 効率的な電源管理ブロック

図1：ADIのADAQ7980 μModule（画像提供：Analog Devices, Inc.）

高精度信号チェーンμModuleの適用

ADIの高精度信号チェーンデータ収集μModuleの製品ラインアップは、以下のようなさまざまな産業における幅広いアプリケーションをサポートしています。

通信：ADAQ8092は、トランシーバ、セルラー基地局、ネットワークインフラなど、さまざまな復調器およびデータ収集アプリケーション用の14ビット、105MSPS、高速デュアルチャンネルデータ収集μModuleです。このデバイスは、信号コンディショニング、ADCドライバ、電圧リファレンス、ADCを1つのパッケージに内蔵しています。ノイズに敏感なRF回路とデジタル回路を分離することで、デジタル部品に起因する電磁妨害を効果的に低減します。

このデバイスは、同程度のディスクリートソリューションの1/6のフットプリントで、すべてのアクティブコンポーネントとiPassivesコンポーネントを統合した完全な信号チェーンを形成します。電源デカップリングコンデンサを内蔵し、電源除去性能を強化しています。ADAQ8092は、3.3V～5Vのアナログ電源と1.8Vのデジタル電源で動作します。

産業オートメーション：ADAQ7768-1は、信号コンディショニング、変換、処理ブロックをカプセル化した24ビット高精度データ収集μModuleです。このデバイスは、IEPEセンサ、抵抗ブリッジ、電圧、電流入力など、さまざまな入力タイプをサポートしており、センサを活用してトレンドの確立、故障の予測、資産寿命の計算、人間の安全性の確保を行う状態基準保全（CbM）アプリケーションに対応しています。

ADAQ7768-1は、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介してレジスタを変更する方法と、シンプルなハードウェアピンストラッピング方法の2つのデバイス構成方式で動作するように構成できます。ピンで構成可能な7つのゲイン設定は、システムのダイナミックレンジを拡大し、低振幅の入力信号で信号チェーンノイズ性能を向上させます。

自動車試験：ADAQ23878は、電子制御ユニット（ECU）、パワーステアリングシステム、サスペンションシステム、バッテリ管理システム、その他の車両サブシステムなどの複雑なリアルタイムシステムのテストに使用されるデジタルツイン技術であるHardware in the Loop（HiL）に適しています。また、自動試験装置や非破壊アコースティックエミッション試験用途などにも使用できます。

ADAQ23878は、低ノイズFDA、安定したリファレンスバッファ、高速18ビット15MSPS SAR ADCなど、複数の信号処理およびコンディショニングブロックを1つのデバイスに統合しています。フットプリントが小さく、9mm x 9mm、0.8mmピッチの100ボールチップスケールパッケージボールグリッドアレイ（CSP_BGA）は、性能を保ちながら、よりコンパクトなフォームファクタの機器を実現します。1レーンまたは2レーン出力モードのシリアル低電圧差動信号（LVDS）デジタルインターフェースにより、ユーザーは各アプリケーションに合わせてインターフェースのデータレートを最適化できます。

まとめ

デジタルトランスフォーメーションと自動化は、信号チェーンデータ収集ソリューションの需要を促進しています。このようなソリューションは、電動化、自動車、デジタルヘルス、計測器、スマート産業、エネルギー、持続可能性など、要求の厳しいアプリケーション向けに最適化されています。ADIの高精度信号チェーンμModuleは、信号チェーンの性能を保ちながら、統合性と柔軟性の最適なバランスを設計者に提供します。多くのディスクリート部品が不要になることで、システム再設計のリスク軽減、システム部品表の簡素化、市場投入までの時間短縮、開発コスト削減が実現します。