数字信号处理微系统设计

杨 芳，王良江

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）



数字信号处理微系统设计

杨 芳，王良江

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

摘 要：随着整机单位对电路尺寸及国产化的要求越来越高，数字信号处理微系统的需求显得尤为迫切。数字信号处理微系统不仅要求做到物理空间的缩小，更要保证整体性能的提升以及应用的简单化。数字信号处理微系统可以从SoC功能芯片、高可靠陶瓷/塑封基板3D-SiP封装等多个方面实现。但由于其成本高、周期长等缺点，严重影响了数字信号处理微系统的快速发展。通过设计实例，介绍了一种通过成品电路二次封装的方法，既解决了成本及周期的问题，又实现了小型化的目标。

关键词：数字信号处理；微系统；SoC；3D-SiP；小型化

1　引言

微系统技术是以微米量级内的设计和制造技术为基础，研究开发微传感器、微致动器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。微系统可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。预期未来微系统将是科技上举足轻重的新领域，具有广阔的应用前景，而在微系统设计领域以数字信号处理系统最为突出，应用最广泛。

2　数字信号处理微系统设计方法

传统的数字信号处理微系统技术是以微米量级内的设计和制造技术为基础，对于设计及加工能力要求都非常高，且周期较长，一旦后期性能指标验证不通过又要推倒重来，周期及成本的双重限制，直接影响了数字信号处理微系统领域的发展。为了解决这个问题，成品电路的二次封装技术应运而生。

成品电路的二次封装可以分为完全成品电路封装和混合电路封装，完全成品电路封装技术是将目标系统里的器件通过埋置方式集成到一个数字信号处理微系统模块里；混合电路封装技术是将裸片及成品电路混合组成一个数字信号处理微系统模块。

3　数据采集处理微系统

该系统首先完成对某系统输入信号进行正交解调处理与采样处理，接着对采样数据进行数据处理与存储处理，最后将处理后的信号进行模数变换、低通滤波和正交调制后输出，工作温度-45℃～85℃，总功耗小于30 W。该系统主要包含了FPGA、AD、DA、SRAM、信号调制解调芯片、时钟芯片及电源芯片等，其中既有成品电路又有裸芯片，为混合电路系统。

该系统有成品电路及裸芯片共18只，整体功耗较大，为便于散热，最终方案确定为采用45 mm×45 mm的金属管壳封装，图1为最终封装尺寸图。

图1　封装尺寸

该方案的设计思路为：芯片加转接板层叠，从下往上的顺序依次是：金属管壳→FPGA→基板1→AD、DA等→SRAM等→基板2→电源芯片、调制解调芯片等→金属盖板，整个模块最终导热胶灌封固化，芯片层叠图如图2。

该数字信号处理微系统设计关键点为基板设计，基板采用常规的FR4工艺，两层基板的互连信号与管壳的互连信号需要合理布局，同时，为保证设计一次成功，可通过专用SiP设计软件CADENCE平台，进行整个模块信号完整性、电源完整性与热分析，确保设计一次成功。

4　某以DSP+FPGA为核心的数字信号处理微系统设计

该系统以FPGA产品XC5VLX50和DSP产品TMS320F28235为核心，外加LDO、CAN总线接口、SPI接口、RS422接口、LVDS差分对、IO接口、OC门接口进行的整体模块电路设计。

该电路体积小、元器件较多，如何解决信号间的相互干扰，解决小封装的散热及成品率，都是该电路的设计难点，同时排版、工艺加工、管壳设计及电路测试都是该电路的关键技术。

通过使用成品电路搭建微系统，缩短了微系统设计周期，降低了成本，同时实现了小型化的目标。图3为DSP+FPGA通用数字信号处理微系统设计实例，图4为电路设计3D示意图，图5为产品实物示意图。

5　结束语

数字信号处理微系统的发展是趋势，基于成品电路搭建的数字信号处理微系统从某种程度上来讲解决了数字信号处理微系统开发周期长、成本高的问题，同时通过3D封装、埋置元器件等先进技术缩小了尺寸，但由于受成品电路性能及尺寸的限制较大，使其无法达到片上系统（SoCSystem on Chip）具有的强大功能。

图2　层叠示意图

图3　DSP+FPGA通用模块设计图

图4　电路设计3D示意图

图5　产品示意图

参考文献：

[1] 何济川. 咱们的“中国芯”[J]. 华人时刊，2001，9.

[2] Yuyun Liao. An Improved ASIC/SOC Design Methodology for Quick Design Convergence[C]. 2006 8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, 2006,10,23.1883-1885.

[3] Christopher M. SiP（系统级封装）技术的应用与发展趋势[J]. 中国集成电路，2004，12：55-59.

杨 芳（1989—），女，安徽安庆人，本科，现在中国电子科技集团公司第58研究所从事电路设计及应用工作。

Microsystems Analysis and Design

YANG Fang, WANG Liangjiang （China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China）

Abstract:On the increasing demand of circuit scale and localization,the requirement of DSP Microsystems is becoming instant. DSP Microsystems not only need reduction in physical space, but also promotion of function and easily applications. DSP Microsystems can be carried out by SOC IC, high-reliable ceramic/plastic 3D-SIP package. However, limited by the high cost and long period, the development of DSP Microsystems is seriously affected. In this paper, by carrying out a design as example, a method of repackaging finished IC in introduced, which solved the problems of high cost and long period , and achieved the goal of miniaturization at the same time.

Keywords:DSP; microsystems; SoC; 3D-SiP; miniaturization

作者简介：

收稿日期：2015-9-16

中图分类号：TN402

文献标识码:A

文章编号：1681-1070（2016）02-0019-04