【導讀】在當前幾乎所有以數字為中心的係統中
，模擬IC仍然是一個關鍵組件。通常來講，模擬IC市場的增長/下降速度比整個IC市場的增長/下降速度要慢
，但2021年的市場情況恰好相反。

今年6月份，半導體行業發布了兩條引人關注的消息：

一是IC Insights在其5月份發布的（2022 McClean Report）Q2的更新中提到，2021年

，Taxes Instruments（TI）憑借141億美元的模擬銷售額和19%的市場份額，繼續保持其作為全球領先模擬IC供應商的穩固地位；二是今年下半年全球模擬芯片供貨緊張的問題將出現轉機

，原因是TI表示到第三季度公司芯片產能緊缺情況將得到緩解。

為此
，行業人士將其解讀為：若下半年TI的產能得到提升，則整個模擬芯片行業的供貨都將得到緩解，芯片價格也將下跌。

在當前幾乎所有以數字為中心的係統中
，模擬IC仍然是一個關鍵組件。通常來講，模擬IC市場的增長/下降速度比整個IC市場的增長/下降速度要慢
，但2021年的市場情況恰好相反。

IC Insights在其（2022 McClean Report）Q1報告中指出

，2020年爆發的新冠病毒對全球經濟帶來了巨大衝擊，然而
，2021年的模擬IC市場卻出現了前所未有的30%激增
，與之對應的是整個IC市場的增幅為26%。預計2022年模擬IC將再次實現兩位數的市場增長，增幅達到12%，總銷售額約為832億美元，出貨量將增長11%，達到2,387億隻（圖1）。

圖1：模擬市場銷售情況及2022年預測

（圖源：IC Insights）

因突出的增長力度和廣度，去年的模擬IC市場有可能成為一個值得銘記的市場。IC Insights的數據顯示，2021年整個模擬市場的銷售額創下了741億美元的曆史新高。其中，全球前十大模擬產品供應商占去了銷售額的68%。強勁的需求合並供應鏈中斷問題，致使去年模擬IC的平均售價（ASP）上漲了6%。在此之前
，模擬產品ASP增長的年頭要回溯到17年前的2004年。2022年
，IC Insights跟蹤的每個主要通用模擬和特定應用模擬市場類別預計都會出現銷售增長，比如細分市場的放大器和比較器約增長7%
，汽車特定應用模擬IC的增長將高達17%。

模擬技術：物聯網中不可或缺的關鍵技術

在很多人的印象中，如今的物聯網（IoT）大(da)部(bu)分(fen)創(chuang)新(xin)都(dou)集(ji)中(zhong)在(zai)數(shu)字(zi)技(ji)術(shu)上(shang)。從(cong)盡(jin)人(ren)皆(jie)知(zhi)的(de)雲(yun)計(ji)算(suan)，到(dao)近(jin)年(nian)來(lai)炙(zhi)手(shou)可(ke)熱(re)邊(bian)緣(yuan)智(zhi)能(neng)
，這(zhe)其(qi)中(zhong)數(shu)字(zi)技(ji)術(shu)的(de)推(tui)動(dong)作(zuo)用(yong)大(da)家(jia)有(you)目(mu)共(gong)睹(du)。不(bu)過(guo)，在(zai)討(tao)論(lun)中(zhong)也(ye)許(xu)我(wo)們(men)都(dou)忽(hu)略(lve)了(le)這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)事(shi)實(shi)，即(ji)物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)邊(bian)緣(yuan)實(shi)際(ji)上(shang)仍(reng)然(ran)是(shi)模(mo)擬(ni)的(de)
，係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)借(jie)助(zhu)光(guang)、壓力、溫度、位置等檢測方案才能獲取關鍵數據。換句話說

，物聯網實際上是對模擬源生成的數據進行一係列智能處理後所采取的行動，即：模擬部件 + 數字連接及處理 = 有效的物聯網部署。

由you於yu模mo擬ni技ji術shu位wei於yu網wang絡luo的de最zui邊bian緣yuan，模mo擬ni層ceng的de質zhi量liang最zui終zhong決jue定ding了le係xi統tong中zhong其qi他ta一yi切qie的de質zhi量liang。有you噪zao聲sheng的de模mo擬ni前qian端duan會hui導dao致zhi數shu字zi信xin息xi失shi真zhen
，對dui整zheng個ge係xi統tong產chan生sheng重zhong大da影ying響xiang。隻zhi有you把ba模mo擬ni部bu分fen做zuo好hao

，數shu字zi應ying用yong才cai會hui更geng好hao。此ci外wai
，對dui於yu控kong製zhi流liu程cheng的de物wu聯lian網wang應ying用yong程cheng序xu，數shu字zi信xin息xi也ye必bi須xu在zai邊bian緣yuan準zhun確que地di轉zhuan換huan回hui模mo擬ni信xin號hao。盡jin管guan設she計ji工gong程cheng師shi普pu遍bian認ren為wei
，為wei支zhi持chi物wu聯lian網wang而er開kai發fa的de大da多duo數shu新xin產chan品pin都dou是shi在zai數shu字zi領ling域yu，但dan在zai未wei來lai的de許xu多duo年nian裏li，模mo擬ni技ji術shu仍reng將jiang在zai物wu聯lian網wang中zhong發fa揮hui關guan鍵jian作zuo用yong。

信號鏈是模擬技術的基礎，其目的是在實時信息分析的基礎上收集和處理數據。通常，模擬信號鏈產品是指擁有對模擬信號進行收發
、轉換、放大、過濾等處理能力的集成電路。按照功能劃分，模擬信號鏈芯片可以分為線性產品
、轉換器產品、接口產品
、時鍾和定時產品等。其中，線性產品主要包括放大器和比較器，轉換器指的是模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）等。

模擬信號鏈產品的設計考慮

在物聯網中
，傳感信號與無限變化的物理參數有關，比如溫度、光線
、壓力
、接近度、速度和觸摸
，以及流體和液體（包括煙霧

、氣體等）等(deng)。傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)都(dou)是(shi)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)，很(hen)難(nan)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)，轉(zhuan)換(huan)之(zhi)前(qian)必(bi)須(xu)先(xian)要(yao)進(jin)行(xing)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)。這(zhe)裏(li)的(de)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)技(ji)術(shu)實(shi)際(ji)上(shang)就(jiu)是(shi)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)在(zai)經(jing)過(guo)放(fang)大(da)、濾波、線性化補償、隔離
、保護等措施後，使其適合模/數轉換器（ADC）的輸入。采用關鍵的信號調理技術可以將數據采集係統的總體性能和精度提高10倍。

圖2為典型的IoT係統工作框圖。如圖所示，信號鏈從感知模擬世界的傳感器開始，接下來是信號放大器
、數據轉換器、jiekouyijishizhonghedingshidianludeng。yigewulianwangshebeidechenggongyunxingzaihendachengdushangqujueyuzhexieqijiandecanshuxuanze。jiexialaiwomenjiuliaoyiliaowulianwangshebeizhongfangdaqiheshujuzhuanhuanqizheliangdaguanjianqijiandexuanze。

圖2：IoT係統工作框圖，其中紅色部分為所涉及的模擬信號鏈產品（圖源：TI）

運算放大器的選擇

前文已經提到，在收集壓力
、溫度、振動和光照等信息，並將其將轉移到數字域之前
，確保信號的準確性非常重要。為了獲得最佳的信噪比（SNR）

，我們需要設計一個低噪聲模擬前端和一個能夠以高精度捕獲傳感器信號的ADC。雖(sui)然(ran)現(xian)在(zai)器(qi)件(jian)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，但(dan)有(you)時(shi)為(wei)了(le)讓(rang)設(she)計(ji)具(ju)有(you)更(geng)多(duo)的(de)可(ke)控(kong)性(xing)和(he)靈(ling)活(huo)性(xing)，工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)仍(reng)然(ran)使(shi)用(yong)單(dan)獨(du)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)而(er)不(bu)是(shi)集(ji)成(cheng)的(de)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)。目(mu)前(qian)，市(shi)場(chang)上(shang)主(zhu)要(yao)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)IC供應商有ADI、TI、STMicroelectronics（ST）、ROHM
、Microchip、Renesas和NXP等，他們向市場上提供了數以萬計的產品供設計師選擇。

在尋找最佳運算放大器時，設計師一定要充分考慮放大器是否會降低ADC或DAC的性能
，同時還需要考慮信號範圍、增益、靜態和動態負載以及電源電壓。以下是市場上幾款性價比較高的運算放大器。

ST TSV772運算放大器

ST的TSV772運算放大器是一種雙運放，屬於公司高性能5V運放係列
，可在2V低電壓下工作，具有軌到軌輸入和軌到軌輸出，增益帶寬積（GBW）20MHz，單位增益穩定，壓擺率13V/µs，輸入電壓噪聲7nV/rtHz，4kV ESD防護能力（HBM），是一款強大的全能型產品。TSV772的特點是輸出電容為47pF
，簡化了作為A/D轉換器輸入緩衝器的使用。該器件甚至可以在電池深度放電的情況下運行，推薦應用包括煙霧探測器、太陽能發電機
、電信基礎設施設備和計算機服務器等。

圖3：TSV772運算放大器（圖源：貿澤電子）

ADI ADA4077-2雙通道放大器

ADI公司的ADA4077-2雙通道放大器是一種高精度運算放大器
，設計用於過程控製、化學和環境監測、電機控製等。在1kHz時ADA4077-2的典型帶寬為3.9MHz
，電壓噪聲為7nV/rtHz。在25℃時，標稱電源電壓為±15Vdc時的典型功耗僅為400µA。該器件有兩個等級可供偏置和熱漂移使用，為設計工程師提供了滿足預算和封裝要求的靈活性。ADA4077-2被認為是為過程控製輸入模塊等應用設計傳感器接口的理想前端放大器。

圖4：TSV772運算放大器（圖源：貿澤電子）

TI OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器

TI公司的OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器是低功耗、單電源應用的理想選擇，具有低噪聲（7nV/rtHz）和高速運算特性，非常適用於驅動采樣ADC，還可用於信號調理和傳感器放大等應用場合。該係列TI運算放大器采用了零交越失真的線性輸入級設計

，在整個輸入範圍內具有出色的共模抑製比（CMRR），典型值為114dB。其輸入共模範圍在正負電源軌上擴展了100mV。輸出電壓的軌內典型擺幅小於10mV。OPAx320/OPAx320-Q1的電源電壓範圍較寬，為1.8V至5.5V

，在整個供電範圍內具有出色的電源抑製比（106dB）。

圖5：OPAx320/OPAx320-Q1 COS運算放大器

（圖源：貿澤電子）

如果你打算尋找一個小型運算放大器。TI的TLV9061為單5.5V，具有軌對軌輸入和輸出擺動功能。該器件價格不高，尺寸小巧，專門為低壓操作（1.8V至5.5V）設計，性能規格類似於OPAx316和TLVx316設備。其應用包括：電動自行車、煙霧探測器
、暖通空調（HVAC）、電機控製、可穿戴設備、傳感器信號調節
、條形碼掃描儀等。

A/D轉換器的選擇

與一些數字電路相比，設計混合信號和模擬信號會帶來更多的複雜性。A/D轉換器的目的是對輸入進行量化，這意味著轉換器會引入少量誤差。A/D轉換器的總體性能實際上是一係列參數（如熱噪聲
、抖動和量化噪聲）的體現。目前市場上有三種最流行的ADC架構，分別是逐次逼近（SAR）ADC、∑-Δ ADC和Pipeline ADC，相應的產品種類多達數千個。要想為特定應用選擇合適的ADC似乎是一項艱巨的任務。在IoT設備中

，很大一部分方案可以由逐次逼近（SAR）ADC和∑-Δ ADC來完成。

圖6：不同的ADC架構所對應的應用、分辨率以及采樣率（圖源：ADI）

ADI AD7983模數轉換器

ADI的AD7983模數轉換器是一款16bit
、逐次逼近（SAR）ADC，采用單電源供電。它內置一個低功耗、高速、16位采樣ADC和一個多功能串行接口端口。在CNV上升沿，該器件對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進行采樣，範圍從0V至REF。基準電壓（REF）由外部提供，並且可以獨立於電源電壓（VDD）。功耗和吞吐速率呈線性變化關係。SPI兼容串行接口還能夠利用SDI輸入，將幾個ADC以菊花鏈形式連接到一條三線式總線上，並提供可選的繁忙指示。非常適合電池供電設備、數據采集等應用。

圖7：AD7983模數轉換器（圖源：貿澤電子）

TI ADS1278模數轉換器

TI的ADS1278模數轉換器是一款適和寬帶寬應用的24位
、144kSPS 8通道同步采樣Δ-ΣADC，它的內部集成有多個獨立的高階斬波穩定調製器和FIR數字濾波器，可實現8通道同步采樣
，支持高速、高精度
、低功耗
、低速4種工作模式。同時
，ADS1278具有優良的AC和DC特性，采樣率最高可以達128Ks／s，62kHz帶寬時信噪比可達111dB
，失調漂移為0.8μV／℃。數據輸出可選幀同步或SPI串行接口，每個接口均支持菊花鏈連接
，可應用於要求嚴格的多通道信號采集係統，如振動分析
、醫療監控、動態應變測量設備等。

圖8：ADS1278模數轉換器（圖源：貿澤電子）

為了節省開發時間，設計師還可以選擇使用TI提供的ADS1278EVM-PDK評估模塊，這是一套完整的評估/演示套件，它將ADS1278EVM與用作主板的基於DSP的MMB0板組合在一起。該套件包括主板和ADCPro評估軟件，可與運行Microsoft Windows操作係統的個人電腦配合使用，以實現對ADS1278器件的完整評估。

本文小結

雖sui然ran當dang前qian的de數shu字zi物wu聯lian網wang邊bian緣yuan設she備bei能neng夠gou同tong時shi處chu理li多duo個ge任ren務wu，但dan模mo擬ni傳chuan感gan器qi在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia依yi然ran僅jin限xian於yu信xin號hao增zeng強qiang功gong能neng。然ran而er，正zheng是shi因yin為wei模mo擬ni信xin號hao的de準zhun確que性xing要yao求qiu與yu物wu聯lian網wang的de應ying用yong密mi切qie相xiang關guan，所suo以yi也ye更geng加jia體ti現xian了le模mo擬ni技ji術shu在zai物wu聯lian網wang中zhong的de重zhong要yao性xing。也ye許xu這zhe也ye是shi模mo擬ni和he數shu字zi技ji術shu通tong吃chi的de設she計ji師shi非fei常chang搶qiang手shou的de原yuan因yin。

傳感器
、放大器、shujuzhuanhuanqi，zhexiedoushishoujihechuanshushujudeqijian，tamendecunzaiweiwulianwanggengguangkuodeyingyongqianjingtigongledongli。zuoweiwulianwangdeqidian，wulianwanggongchengshixuyaolejie，gongchengshangdetiaozhanshizaishuzihuazhiqiankongzhixinhaobaozhendu
、放大和濾波，因此，無論是差分放大器、運算放大器還是其他放大器，設計師必須要掌握放大器的基本原理。

另一方麵
，雖然物聯網中的一些數字傳感器集成度已經做到非常高，集成的ADC既可以降低開發工作量和成本，又可以減少驅動設備所需的功率，但不可否認的是本地模擬通常可以更準確地表示數據源，單獨的A/D轉換器其作用仍然至關重要。

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