在當今的電子生態(tài)系統(tǒng)中，對話由人工智能、邊緣計算和超快無線網(wǎng)絡主導。然而，在每一項突破性創(chuàng)新的背后，都隱藏著一個更安靜但不可或缺的參與者，即模擬電子設備。雖然數(shù)字可能占據(jù)頭條新聞，但模擬可以確保可以捕捉、調(diào)節(jié)和處理現(xiàn)實世界的現(xiàn)象。

正如工程師經(jīng)常提醒自己的那樣，“自然是模擬的。其他一切都是近似值。無論數(shù)字系統(tǒng)多么復雜，其準確性和可靠性都取決于模擬前端的質(zhì)量。從高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 中的雷達到智能手機中的 MEMS 加速度計，從生物醫(yī)學可穿戴設備到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，模擬電子設備構(gòu)成了傳感器信號鏈中的第一個環(huán)節(jié)。

為什么所有傳感器都首先使用模擬

光強度、聲波、熱量、振動或射頻 （RF） 輻射等每種物理現(xiàn)象都以模擬形式存在。傳感器本質(zhì)上是換能器，將這些連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為可測量的電量。但在此類數(shù)據(jù)被數(shù)字化并由處理器或人工智能算法分析之前，它必須通過模擬前端 （AFE）。

AFE 包括儀表放大器、濾波器、線性化電路和信號調(diào)理模塊等關(guān)鍵模塊，這些模塊為模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC） 準備原始傳感器輸出。如果沒有強大的模擬調(diào)節(jié)，即使是最先進的數(shù)字處理器也會對現(xiàn)實世界“視而不見”。

正如 Voler Systems 首席執(zhí)行官 Walt Maclay 所說：“數(shù)字處理的好壞取決于為其提供動力的模擬電子設備。垃圾進，垃圾出比其他任何地方都更適用于傳感器。

模擬在現(xiàn)代傳感器中的核心功能

1. 信號放大
   許多傳感器輸出微伏或毫伏范圍內(nèi)的信號，很容易被噪聲淹沒。儀表放大器和低噪聲放大器 （LNA） 在保持保真度的同時增強這些信號。例如，心電圖 （ECG） 傳感器需要具有高共模抑制比 （CMRR） 的放大器，以便從充滿噪聲的環(huán)境中提取有意義的心臟信號。

2. 過濾
   現(xiàn)實世界的信號很混亂。模擬有源和無源濾波器在數(shù)字化之前消除不需要的噪聲和干擾。在雷達系統(tǒng)中，帶通濾波器確保僅處理目標頻率范圍，從而顯著提高信噪比 （SNR）。

3. 線性化和偏置
   許多傳感器輸出本質(zhì)上是非線性的。模擬電路實現(xiàn)線性化技術(shù)來糾正這些失真，使傳感器行為可預測。同樣，偏置可確保傳感器在最佳范圍內(nèi)運行。例如，在熱敏電阻中，在得出有意義的溫度數(shù)據(jù)之前，必須先對耐溫曲線進行線性化。

4. 轉(zhuǎn)換就緒
   模擬電路通過確保適當?shù)碾妷弘娖健⒆杩蛊ヅ浜蛶拋頊蕚?nbsp;ADC 兼容性的信號。如果沒有此步驟，數(shù)字化可能會導致裁剪、鋸齒或分辨率損失。

案例研究：新興應用中的模擬工作

1. 汽車 ADAS

ADAS 嚴重依賴雷達和 LiDAR 傳感器，其中實時性能是不容妥協(xié)的。模擬前端放大微弱的射頻回波，過濾干擾，并將精確信號饋送到高速ADC。即使是微秒的延遲也可能意味著安全制動和碰撞之間的區(qū)別。

1. 生物醫(yī)學設備

血糖監(jiān)測儀和心電圖貼片等可穿戴醫(yī)療設備需要超低功耗、高精度的模擬電路。在這里，模擬電子設備可延長電池壽命，同時確保臨床級精度。即使放大誤差 1 mV 也可能轉(zhuǎn)化為誤診。

1. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工廠依靠數(shù)千個傳感器進行振動監(jiān)測、預測性維護和過程自動化。這些環(huán)境中的模擬電路必須承受電噪聲、溫度波動和機械應力。與脆弱的數(shù)字邏輯不同，穩(wěn)健的模擬設計可確保極端工業(yè)條件下的可靠性。

1. 環(huán)境監(jiān)測

長期穩(wěn)定性對于空氣質(zhì)量監(jiān)測儀、土壤傳感器或氣象站至關(guān)重要。模擬電路專為低漂移和高線性度而設計，可保證多年一致的數(shù)據(jù)，而無需重新校準。

模擬在某些任務中相對于數(shù)字的優(yōu)勢

雖然數(shù)字處理提供了靈活性，但模擬處理在關(guān)鍵方面具有優(yōu)勢：

• 零延遲：模擬信號以物理速度傳播——無需時鐘周期。對于基于雷達的防撞來說，這種確定性性能是不可替代的。

• 電源效率：模擬前端的功耗遠低于同等數(shù)字電路，這使得它們在每個微安都很重要的可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中至關(guān)重要。

• 惡劣條件下的可靠性：模擬電路在極端環(huán)境（輻射、高溫或電磁干擾）下繼續(xù)運行，在這些環(huán)境中，數(shù)字邏輯經(jīng)常發(fā)生故障。

正如凌力爾特聯(lián)合創(chuàng)始人鮑勃·多布金（Bob Dobkin）的名言：“模擬永遠不會消亡，因為世界是模擬的。

集成趨勢：SoC 和 SiP 時代的模擬

該行業(yè)正越來越多地轉(zhuǎn)向集成模擬和數(shù)字功能的片上系統(tǒng) （SoC） 和系統(tǒng)級封裝 （SiP）。例如，當今的MEMS慣性傳感器通常在單個封裝中包含片上AFE、ADC和數(shù)字處理器。這種集成減少了占地面積，提高了信號完整性，并支持可穿戴設備、無人機和自主系統(tǒng)的小型化。

然而，集成并不能消除對模擬專業(yè)知識的需求。相反，它要求工程師設計混合信號系統(tǒng)，其中模擬域和數(shù)字域之間的相互作用得到仔細管理。熱漂移、帶寬匹配和寄生效應等問題仍然完全存在于模擬領域。

結(jié)論：模擬作為永久基礎

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的競賽中，模擬電子產(chǎn)品經(jīng)常被忽視。然而，正是模擬決定了數(shù)字系統(tǒng)感知和響應物理世界的效率。無論是在自動駕駛汽車、醫(yī)療診斷還是工業(yè)自動化中，模擬仍然是現(xiàn)代傳感器的永恒支柱。

對于工程師來說，信息很明確：掌握模擬設計不是一項遺物技能，而是一項面向未來的投資。系統(tǒng)變得越復雜和互聯(lián)，確保堅如磐石的模擬基礎就越重要。

正如電子先驅(qū)巴里·吉爾伯特（Barrie Gilbert）曾經(jīng)指出的那樣：“你可以數(shù)字化數(shù)據(jù)，但你無法數(shù)字化現(xiàn)實。現(xiàn)實是，也永遠是模擬的。