在當(dāng)今的電子生態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)話由人工智能、邊緣計(jì)算和超快無線網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)。然而，在每一項(xiàng)突破性創(chuàng)新的背后，都隱藏著一個(gè)更安靜但不可或缺的參與者，即模擬電子設(shè)備。雖然數(shù)字可能占據(jù)頭條新聞，但模擬可以確?？梢圆蹲?、調(diào)節(jié)和處理現(xiàn)實(shí)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(fù)雜，其準(zhǔn)確性和可靠性都取決于模擬前端的質(zhì)量。從高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 中的雷達(dá)到智能手機(jī)中的 MEMS 加速度計(jì)，從生物醫(yī)學(xué)可穿戴設(shè)備到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，模擬電子設(shè)備構(gòu)成了傳感器信號(hào)鏈中的第一個(gè)環(huán)節(jié)。

為什么所有傳感器都首先使用模擬

光強(qiáng)度、聲波、熱量、振動(dòng)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(hào)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(hào)調(diào)理模塊等關(guān)鍵模塊，這些模塊為模數(shù)轉(zhuǎn)換 （ADC） 準(zhǔn)備原始傳感器輸出。如果沒有強(qiáng)大的模擬調(diào)節(jié)，即使是最先進(jìn)的數(shù)字處理器也會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)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(dòng)力的模擬電子設(shè)備。垃圾進(jìn)，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(hào)放大
   許多傳感器輸出微伏或毫伏范圍內(nèi)的信號(hào)，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(shí)增強(qiáng)這些信號(hào)。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(hào)。

2. 過濾
   現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)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(dá)系統(tǒng)中，帶通濾波器確保僅處理目標(biāo)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(shí)現(xiàn)線性化技術(shù)來糾正這些失真，使傳感器行為可預(yù)測。同樣，偏置可確保傳感器在最佳范圍內(nèi)運(yùn)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(duì)耐溫曲線進(jìn)行線性化。

4. 轉(zhuǎn)換就緒
   模擬電路通過確保適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?、阻抗匹配和帶寬來?zhǔn)備 ADC 兼容性的信號(hào)。如果沒有此步驟，數(shù)字化可能會(huì)導(dǎo)致裁剪、鋸齒或分辨率損失。

案例研究：新興應(yīng)用中的模擬工作

1. 汽車 ADAS

ADAS 嚴(yán)重依賴?yán)走_(dá)和 LiDAR 傳感器，其中實(shí)時(shí)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(hào)饋送到高速ADC。即使是微秒的延遲也可能意味著安全制動(dòng)和碰撞之間的區(qū)別。

1. 生物醫(yī)學(xué)設(shè)備

血糖監(jiān)測儀和心電圖貼片等可穿戴醫(yī)療設(shè)備需要超低功耗、高精度的模擬電路。在這里，模擬電子設(shè)備可延長電池壽命，同時(shí)確保臨床級(jí)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(gè)傳感器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測、預(yù)測性維護(hù)和過程自動(dòng)化。這些環(huán)境中的模擬電路必須承受電噪聲、溫度波動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力。與脆弱的數(shù)字邏輯不同，穩(wěn)健的模擬設(shè)計(jì)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(duì)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(shè)計(jì)，可保證多年一致的數(shù)據(jù)，而無需重新校準(zhǔn)。

模擬在某些任務(wù)中相對(duì)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(hào)以物理速度傳播——無需時(shí)鐘周期。對(duì)于基于雷達(dá)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(yuǎn)低于同等數(shù)字電路，這使得它們在每個(gè)微安都很重要的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(yuǎn)不會(huì)消亡，因?yàn)槭澜缡悄M的。

集成趨勢：SoC 和 SiP 時(shí)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(jí)封裝 （SiP）。例如，當(dāng)今的MEMS慣性傳感器通常在單個(gè)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(hào)完整性，并支持可穿戴設(shè)備、無人機(jī)和自主系統(tǒng)的小型化。

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

結(jié)論：模擬作為永久基礎(chǔ)

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(yīng)物理世界的效率。無論是在自動(dòng)駕駛汽車、醫(yī)療診斷還是工業(yè)自動(dòng)化中，模擬仍然是現(xiàn)代傳感器的永恒支柱。

對(duì)于工程師來說，信息很明確：掌握模擬設(shè)計(jì)不是一項(xiàng)遺物技能，而是一項(xiàng)面向未來的投資。系統(tǒng)變得越復(fù)雜和互聯(lián)，確保堅(jiān)如磐石的模擬基礎(chǔ)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(shí)?，F(xiàn)實(shí)是，也永遠(yuǎn)是模擬的。