בהנדסת אווירופייס, המרדף הבלתי פוסק של ביצועים, יעילות ואמינות מניע את הצורך של תת-מערכת אלקטרונית קטנה וקלה יותר. Analog-to-דיגיטלי ממיר מודולים (ADC) אשר לגשר על העולם האנלוגי של חיישנים ואת העולם הדיגיטלי של מעבדים, אינם יוצאים מן הכלל.מודולים אלה הם רכיבים קריטיים במערכות הדרכה, בקרת טיסה, אלטרים, לוויינים, תשלומים, מערכות בריאות ניטור מופחתת יותר, וקיבולת נמוכה יותר.

עיצוב מודולים כאלה דורש עזיבה של גישות קונבנציונליות.זה דורש אופטימיזציה הוליסטית של שרשרת האות כולה, מן הקצה אנלוגי דרך הליבה של ADC וממשק דיגיטלי, כל זאת תוך עמידה בדרישות סביבתיות ואמינות מחמירות. מאמר זה חוקר את האסטרטגיות הליבה, אפשרויות חומריות, ואת ההנדסה המסחר אשר מאפשר יצירת מודולים קומפקטיים, קלים וביצועים גבוהים ADC עבור יישומים אוויר.

שיקולים עיצוביים עבור ADCs

לפני היותו שקוע בטכניקות miniaturization ספציפיות, חיוני להבין את המגבלות הייחודיות כי אווירופייס כוה על עיצוב מודול ADC.בניגוד יישומים מסחריים או תעשייתיים, סביבות אוויריות כפופות אלקטרוניקה לטמפרטורות קיצוניות, ריק, רטט, קרינה והתערבות אלקטרומגנטית. כל מילימטר רבוע וכל דקדוק חייב להרוויח את מקומו.

גודל, משקל וכוח (SWAP) Trade-offs

SWAP הוא הנהג העיצוב הראשי. Aקומפקטי ADC מודול חייב במקביל להפחית את טביעת הרגל (גודל), להפחית את המסה (משקל), ולצמצם את צריכת החשמל (כוח) שלושת הפרמטרים האלה קשורים הדוקים.לדוגמה, צמצום אזור PCB יכול להגדיל את צפיפות תרמית, אשר עשוי לדרוש כיור חום כבד יותר או קירור כפויה.

המונחים: environmental Rript

מודולים ADC חייבים לשרוד תנאים קיצוניים ללא הפחתת ביצועים.

  • (FLT:0) ניצול סובלנות: FLT:1 הכולל ionizing מנה (TID) ואפקטים חד-לשוניים (SEE) יכולים להשחית מעגלים דיגיטליים.מעצבים חייבים לבחור רכיבים ADC או rad-סובלניים, או להשתמש בתיקון שגיאות ולוגיקה אדומה.לעבור מגן עם מתכות כבדות כמו טנטלום משמש לעתים קרובות, מוסיף משקל, כך מעצבים טמאירים מעדיפים תהליכים מסחריים או סיליקון-לשעבר (Ride-Ride-f) עם סיליקון-Ride-Ride-f-f) עם סיליקון (Ride-Ride-f).
  • טווח הטמפרטורה של FLT:0Wide: 1.FLT:1 צבאי ומרחב דירוג ADCs מדורג מ -55 מעלות צלזיוס ל +125 מעלות צלזיוס.ההתרחבות הrmal משתבש בין ADC למות וחומרי אריזה יכול לגרום ללחץ וסחף parametric.שימוש של תת-שכבות תואמים תרמי ומדורגת תחתיה זה הכרחי.
  • (FLT:0)Vibration and Shock:FLT:1Build and Flightlifts יכול עייפות מכנית מפרקים מכרים.קומפקטי מודולים לעתים קרובות להשתמש חבילות קרמיקה מובילות או ערכות עמודה (CGAs) במקום מערךי רשתות כדור (BGAs) עבור אמינות טובה יותר. sing רכיבים עם epoxy מוסיף undancy אבל עלייה במשקל.

אותות ב High-Density Layouts

כאשר המודולים מתכווץ, אורך עקבות וסמיכות לקווים דיגיטליים רועשים הופכים קריטיים.שמירה על נתיב אות אנלוגי נקי דורש עיצוב ערימה זהיר, מטוסים קרקעיים ייעודיים, ובודד של עקבות אנלוגיים רגישים מממשקים דיגיטליים מהירים במהירות גבוהה.Ring אנלוגי וקטעים דיגיטליים על שכבות נפרדות עם מטוס מוצק בין אלה הוא סטנדרטי. Decoupling capaciling חייב להיות ממוקם קרוב ככל האפשר ל- ADC, הדורשים מרובים כדי להפחית את הביצועים קטנים יותר כמו גם בטווח רחב יותר של חומרים מקבילה.

טכניקות מינימליות ובחירתיות

בחירה מתאימה היא המנוף הישיר ביותר לירידה בגודל. תהליכים וחדשנות של סוללות מודרניים מאפשרים למהנדסים לארוז פונקציונליות נוספת לתוך טביעת רגל קטנה יותר.

אדריכלות ADC עבור עיצוב קומפקטי

לא כל ארכיטקטורות ADC מתאימים באותה מידה למודולים של חלל קומפקטי.שלושת הסוגים הדומיננטיים הם:

  • (FLT:0) רשם (SAR) ADCs:BuildFLT:1 ידוע עבור צריכת חשמל נמוכה ושטח קטן למות בהחלטות בינוניות (עד 18 ביטים) ושיעורי הדגימה (עד 10 MSPS). SAR מודרני SAR ADCs כוללים הפניות פנימיות, נהגים קלט, ומסננים דיגיטליים, צמצום של רכיב חיצוני.
  • (FLT:0)Pipeline ADCs:FLT:1 להציע שיעורי מדגם גבוה (hundreds של MSPS) עם החלטה טובה (12-16 סיביות) הם דורשים יותר שטח סיליקון וכוח מאשר SAR, אבל הביצועים לכל ערוצים למאגר ריבוע ניתן לייעל באמצעות מפלטים מתקדמים.
  • (FLT:0)Delta-sigma ADCs:veFLT ( 1) לספק החלטה גבוהה (עד 24 ביטים) אבל רוחב פס נמוך יותר (עד כמה מאות kHz) הם אידיאליים עבור מדידות חיישן נמוך כמו טמפרטורה, לחץ, וזן. אדריכלות oversampling שלהם מאפשר מסננים אנטי-פליה פשוטים, חיסכון חלל.

עבור מודולים קומפקטיים, מעצבים לעתים קרובות לבחור רב-ערוצי ADCs בעל דירוגים מרובים המשלבים מספר ממרים בחבילה אחת, כגון quad או octal SAR מכשירים.זה מבטל את האזור הדרוש עבור חבילות דיסקרטיות מרובות ומפחית מורכבות routing.

Advanced Packaging Technologies

החבילה עצמה היא תורמת עיקרית לגודל מודול ומשקל.חבילות מסורתיות מפלסטיק (למשל, TQFP, SOIC) מוחלפות על ידי חלופות יעילות יותר בחלל:

  • (FLT:0Wafer-classpack-scale (WLCSP): 1FLT:1 חבילות אלה הן למעשה המתים החשופים עם שכבת הפצה מחדש ותקלות מכרות.הם מציעים את טביעת הרגל הקטנה ביותר ואת הפרופיל הנמוך ביותר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מודולים קלים.עם זאת, הם דורשים טיפול זהיר עבור חלל עקב בעיות אמינות תחת אופניים תרמיים ולהשתמש במתחמיים מתאימים (מ"ג) קרמיקה.
  • (FLT:0) ערימה / מערכת-in-packageage (SiP): ההרחבה:1 (SiP): על ידי ערימה אנכית מספר מת - כגון הליבה ADC, ההתייחסות, ממשק דיגיטלי וניהול כוח - בתוך חבילה אחת, מהנדסים להפחית באופן דרמטי את שטח הסיפון. SiP פתרונות גם לקצר קישורים בין-הקשרים, שיפור השלמות והפחתת צריכת החשמל המודרנית.
  • (FLT:0) מודולים Multi-chip (MCMssteau): FLT 1:1 פלאג מספר חשוף מת על תת-קרקעית נפוצה ותופס אותם לתוך רכיב אחד חוסך משקל בהשוואה למכשירים נפרדים ארוזים. MCMs הם נפוצים במערכות רכישת נתונים ברמה חלל שבו מספר ADCs ו- מרובותxs הם קו משותף.

אינטגרציה של אנליסט החזית

ספירת רכיב הפחתה היא דרך מוכחת לקומפקטיות. integrating the אנלוגיה הקדמית - כולל מגברי רווח הניתנים לתוכנה (PGAs), פילטרים נגד-aliasing, הפניות מתח, ו buffers קלט - עם ADC מבטל רכיבים חיצוניים ואת אזור הלוח המשויך שלהם. רבים ADC משלב פונקציות אלה על שבבים, לדוגמה, 16 סיביות משולבת עם אותות אנלוגיים באופן ישיר עם פילטרים דיגיטליים יכול לקבל באופן ישיר עם פילטרים.

חומרים מתקדמים לבניית משקל אור

מעבר לאינטגרציה אלקטרונית, הבנייה הפיזית של מודול ADC חייבת להשתמש בחומרים הממזערים את המסה תוך מתן תכונות תרמיות ומכניות הכרחיות.

חומרים מורכבים: Ceramics ו Composites

חומרים מסורתיים FR-4 PCB הם לעתים נדירות מתאימים עבור מודולים אווירי של יעילות גבוהה בשל יעילות גבוהה של התרחבות תרמית (CTE) ו מוליכות תרמית מוגבלת במקום, מהנדסים פונים ל substrates מתקדמות:

  • (FLT:0)Low-temperature co-firedקרמיקה (LTCC): FLT:1 LTCC מאפשר שילוב רב-שכבות של רכיבים פסיביים (resistors, capacitors, inductors) ישירות בתוך תת-קרקעית-הטכנולוגיה הזו יכולה לארח ADC מת וצ'יפס אחרים במודול תלת-ממדי באמת.
  • (ב) ו-Berillium oxide (BeO:FLT:1 חומרים קרמיקה אלה מציעים מוליכות תרמית גבוהה (עד 200 W / mK עבור AlN) עבור התפשטות חום יעילה, צמצום הצורך בשכיחות מתכת כבדות.
  • (FLT:0)Metal-core PCBs ו substrates מורכב:FLT ( 1 אלומיניום) או נחושת-core PCBs לספק פיזור חום מעולה אבל להגדיל את המשקל. עבור מודולים שבהם משקל הוא רב, מרוכבים פולימרים עם מוטבע באמצעות או גליונות גרפיט יכול להציע חלופה קלה יותר ועדיין לשפר את ניהול תרמי.

חומרים ניהוליים

הסרת חום ממודול ADC קומפקטי דורש חומרים פתרמיים יעילים ללא תוספת מסה משמעותית:

  • (FLT:0) חומרי ממשק תרמיים (TIMs): ibph1 , חומרי חילוף מתקדמים וחומרים של שינוי שלב עם מוליכות תרמית גבוהה (5-10 W/mK) ודחיסות נמוכה משמשים בין מקרה המודול לבין צלחת קרה. Graphite- TIMs מבוססים על פני השטח הם קלים יותר מאשר כריות סיליקון מלאות קרמיקה מסורתיות.
  • (FLT:0) צינורות Heat ו- vapor Cells:031 עבור מודולים ADC כוח גבוה (למשל, צינורות רב ערוצים ADCs ב מכ"ם), קירור פסיבי שתי נקודות יכול להעביר כמויות גדולות של חום עם משקל נמוך מאוד ולא חלקים נעים. מיניאורי חום משובצים בבסיס המודול מאפשרים חום להתפשט לרדיו מרוחק, שמירה על שטח מגניב.
  • (ב) ,0) למות באופן מוליכים למחצה מדביקים: FLT:1 עבור ה- ADC מת, epoxies מלא כסף מציעים הן מוליכות תרמית וקישוריות חשמלית תוך הוספת משקל רשלני בהשוואה ל-Preforms הנמכר.

קידודים ו- Encapsulants

כדי להגן מפני לחות, contaminants, וטיפול, מודולים ADC לעתים קרובות לקבל ציפוי קונפורמנטלי. אפשרויות משקל אור כוללים parylene (מאוד רזה, אחיד, תכונות dielectric מצוינות) ו ציפוי סיליקון ברמה אווירית-מרחבית ציפוי. עבור סביבות קיצוניות, החותמה שלה עם מתכת או קרמיקה הוא הכרחי, אבל משקל מלא מוסיף באופן חלופי, ציפוי של גזי גז נמוך יכול להיות מסוגל להגן על הציפוי משקל נמוך.

ניהול חשמל ואתגרים חמים

צריכת חשמל משפיעה ישירות על גודל מודול באמצעות דרישות ניהול תרמי.מודולים ADC חייב להשתמש בעיצובים יעילים כוח ואסטרטגיות תרמיות חכמות.

שיטות עיצוב ADC בעלות כוח נמוך

תהליכים של מוליכים למחצה מודרניים מספקים תנודות בעלות נמוכה, כוח נמוך, כדי למזער את הכוח ללא מהירות או החלטה מקרית, מעצבים משתמשים:

  • (FLT:0) Power Scaleing and דינמי ההטיה: FIRLT:1) כמה ADCs להתאים באופן אוטומטי זרמי הטיה פנימיים המבוססים על קצב הדגימה.בשיעורים הנמוכים, כוח יורד באופן יחסי.עבור מערכות מרובות ערוצים, מצבי כוח ערוץ בודדים יכולים לחסוך אנרגיה כאשר הערוצים הם בטלים.
  • (FLT:0) ,Ultra-low-power Reference מעגלים:03FLT) 1 Integrated Stress Reference לעתים קרובות לצרוך כוח משמעותי.שימוש בנקודת התייחסות מדויקת של כוח נמוך IC (למשל, 1.25 V ב 10 μA) ו decoupling זה יכול להפחית את כוח המודול הכולל.
  • (FLT:0) ממשקים דיגיטליים יעילים: ההרחבה 1 (JESD204B וממשקים סידוריים חדשים יותר משתמשים בסימן די מהיר, המציע כוח נמוך יותר בהשוואה ל-LVDS מקבילים או ממשקי CMOS.

רשתות אספקה כוח יעילות

רשת קומפקטית של משלוח כוח בתוך המודול להימנע הרגולטורים החיצוניים כבדים. Integratedchanges עם יעילות גבוהה (90%+) יכול לייצר את מתחי האספקה הדרושים ADC (בדרך כלל 1.8 V, 2.5 V, ו- 3.3 V) מרכבת קלט אחת.שימוש ניהול כוח רב- ⁇ ICs להפחית את הרכיב.

פאסיבי מול Active Cooling

עבור מודולים ADC כוח נמוך (פחות מ 1 W הכולל dissipation), קירור פסיבי באמצעות התנהגות דרך בסיס מודול ופס תרמי דרך מתכת כיס מתכת הוא בדרך כלל מספיק. עבור מודולים כוח גבוה (2-10 W), אוויר מאולץ או קירור נוזלי עשוי להיות נחוץ, אבל אלה להוסיף משקל ומורכבות.

  • (FLT:0) הואט שוקע עם fins:cioFLT אופטימלית: 1 אלומיניום fins יכול להיות בצורת מותאם אישית כדי להתאים בתוך נפח שהוקצה, אבל משקל הוא דאגה.
  • (FLT:0) הקרירים ההירומאלקטריים (TECss): 1 TECs יכול לקרר באופן מקומי את ADC למות, אבל הם צורכים כוח נוסף ולהוסיף משקל משמעותי.הם לעתים רחוקות משמשים במודולים חלל קומפקטיים אלא אם הטמפרטורה היא קריטית (למשל, עבור ADCs בספקטרום גבוה בספקטרום גבוה).

ברוב המקרים, מטרת העיצוב היא לנהל חום בתוך המודול כך שדרך התנהגות פשוטה לצלחת קרה או כאסאסאסאסה מספקת.זה מניע את הבחירה של חומרי ממשק תרמיים קלים ומבחר תת-קרקעי.

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ו- Shielding

מודולים קומפקטיים סובלים מהפיכה מוגברת בין מעגלים סמוכים.שמירה על שלמות אות וציות לסטנדרטים של אווירו-מרחב EMC מחמיר (למשל, MIL-STD-461) דורש הגנה ופריסה זהירה.

טכניקות להורדת EMI

גבוה-dens PCBs צורך בתכנון קפדני של ערימה-up.שימוש מטוסים קרקעיים מוצק על שכבות פנימיות ו detest שכבות שלמות לעוצמה אנלוגיה ודיגיטלית מפחיתה אזורי לולאה.משמר עקבות סביב קלטות אנלוגיות רגישות וסימן שונה עבור נתונים מהירים (LVDS, CML) עוזר לדחות רעש משותף-mode-mode-Moder-plane טכניקות הן פחות נפוצות בעיצובים קומפקטיים כי הם יוצרים אנטנה גדולה; במקום זאת, משתמשים במעצבים דיגיטליים ורכיבים חד-אטים ובודדים.

Embedded Shielding and Filter

כדי להימנע ממתחים חיצוניים גדולים, ניתן לשלב את המגן לתוך המודול:

  • (FLT:0) epoxies וציפוי: ההרחבה: 1:1 החל שכבת דק של epoxy התנהגותית (silver-או גרף מלא) אל תוך השטח של המודול או ישירות על המצע מספק מגן יעיל ללא תוספת משקל.
  • (FLT:0) , Embedded ferrite beads ופילטרים:FLT:1 פריט חרוזים בחבילות זעירות על פני השטח ניתן להציב ישירות על קווי אות כדי לדכא התערבות גבוהה.
  • (FLT:0) שילינג באמצעות מעגלים על שבב:ראהFLT:1 כמה ADCs מתקדמים לשלב מסננים EMI שבב ובבי קלט שונים אשר באופן טבעי דוחה התערבות משותפת, צמצום הצורך במסנן חיצוני.

כאשר מתחמים חיצוניים הם הכרחיים, ⁇ קל משקל (aluminum, titanium, מגנזיום) או פלסטיק מתכתי (למשל, פולית נושאת פעולה, PEEK) ניתן ליצור צורות מותאם אישית שמשמשים גם אלמנטים מבניים.

בדיקות והתאמה למרחב

מודול ADC קומפקטי חייב לעבור בדיקות קפדניות כדי להבטיח שהוא עומד בדרישות המשימה על החיים התפעוליים שלו.בדיקה עצמה יכולה להשפיע על עיצוב מודול - לדוגמה, נקודות מבחן חייב להיות נגיש ללא הפרה של יושרת האות, ואת המודול חייב להיות נועד לעמוד בלחצים מכניים ורמוסיים של הסמכה.

סקר מתח סביבתי (ESS)

תהליכים כגון רכיבה תרמית, רטט, שריפת שומן נכשלים בתמותה של תינוקות. עבור מודולים קומפקטיים, העיצוב חייב לשרוד מחזורים מרובים של -55 מעלות C ל +125 ° C ללא מקר משותף או למות דלמנט. חומרים תחת חומרים תחת חסות ו coefficient של התרחבות תרמית (CTE) התאמה בין ימות ו substrate הם קריטי.

אחריות ארוכת טווח וקיצוניות

יישומים בחלל דורשים ביטחון מפני השפעות קרינה. עבור מודולים קומפקטיים, מעצבים לעתים קרובות להסתמך על הפריסה (FLT:0מסחר-off-the-shelf (COTS) חלקים עם אופי הקרינה 1 ולא חלקים rad-hard מלאים, איזון עלויות וביצועים.עם זאת, חלקים אלה דורשים בדיקה נוספת עבור מינון כולל (TID) ו- יחיד- אפילו לאהיפוך (ELS) עשויים לכלול פונקציות מתקדמות יותר, אם כי ניתן להשתמש במודולים מתקדמים יותר, אם כי ניתן להשתמש ב-C).

מסקנה

השגת מודולים קומפקטיים וקל משקל ADC עבור יישומי אווירופייס הוא אתגר הנדסי רב פנים הדורש חדשנות על פני בחירת רכיב, אריזה, חומרים, ניהול תרמי, ועיצוב EMC.אין טכניקה אחת מספיק; במקום זאת, גישה הוליסטית המשלבת שלבים המדינה-של-שלמה-ארט תהליכים מוליכים למחצה, מתקדם קרמיקה ומסובייקט, ניהול כוח יעיל, ופריסת את התוצאות הטובות ביותר עבור מערכת הפעלה מרחוק של סוללות המשך של פונקציות מורכבות של פונקציות.

לקריאת יתר של המהנדסים ניתן להתייחס למשאבים סמכותיים כגון:0 (ההנחיות של נאס"א לאריזות אלקטרוניקה ברמה החללית:2Texas Instruments מציין על בחירת ה- ADC לקרינה-סובייקט ADC:5 קרינת ADC, ו-FLT:4Alog מכשירים על ביצועי ADC בסביבות rLTF:5:5).