模拟电子：现代传感器的永恒支柱

在当今的电子生态系统中，对话由人工智能、边缘计算和超快无线网络主导。然而，在每一项突破性创新的背后，都隐藏着一个更安静但不可或缺的参与者，即模拟电子设备。虽然数字可能占据头条新闻，但模拟可以确保可以捕捉、调节和处理现实世界的现象。

正如工程师经常提醒自己的那样，“自然是模拟的。其他一切都是近似值。无论数字系统多么复杂，其准确性和可靠性都取决于模拟前端的质量。从高级驾驶辅助系统 （ADAS） 中的雷达到智能手机中的 MEMS 加速度计，从生物医学可穿戴设备到工业物联网节点，模拟电子设备构成了传感器信号链中的第一个环节。

为什么所有传感器都首先使用模拟

光强度、声波、热量、振动或射频 （RF） 辐射等每种物理现象都以模拟形式存在。传感器本质上是换能器，将这些连续信号转换为可测量的电量。但在此类数据被数字化并由处理器或人工智能算法分析之前，它必须通过模拟前端 （AFE）。

AFE 包括仪表放大器、滤波器、线性化电路和信号调理模块等关键模块，这些模块为模数转换 （ADC） 准备原始传感器输出。如果没有强大的模拟调节，即使是最先进的数字处理器也会对现实世界“视而不见”。

正如 Voler Systems 首席执行官 Walt Maclay 所说：“数字处理的好坏取决于为其提供动力的模拟电子设备。垃圾进，垃圾出比其他任何地方都更适用于传感器。

模拟在现代传感器中的核心功能

1. 信号放大
   许多传感器输出微伏或毫伏范围内的信号，很容易被噪声淹没。仪表放大器和低噪声放大器 （LNA） 在保持保真度的同时增强这些信号。例如，心电图 （ECG） 传感器需要具有高共模抑制比 （CMRR） 的放大器，以便从充满噪声的环境中提取有意义的心脏信号。

2. 过滤
   现实世界的信号很混乱。模拟有源和无源滤波器在数字化之前消除不需要的噪声和干扰。在雷达系统中，带通滤波器确保仅处理目标频率范围，从而显着提高信噪比 （SNR）。

3. 线性化和偏置
   许多传感器输出本质上是非线性的。模拟电路实现线性化技术来纠正这些失真，使传感器行为可预测。同样，偏置可确保传感器在最佳范围内运行。例如，在热敏电阻中，在得出有意义的温度数据之前，必须先对耐温曲线进行线性化。

4. 转换就绪
   模拟电路通过确保适当的电压电平、阻抗匹配和带宽来准备 ADC 兼容性的信号。如果没有此步骤，数字化可能会导致裁剪、锯齿或分辨率损失。

案例研究：新兴应用中的模拟工作

1. 汽车 ADAS

ADAS 严重依赖雷达和 LiDAR 传感器，其中实时性能是不容妥协的。模拟前端放大微弱的射频回波，过滤干扰，并将精确信号馈送到高速ADC。即使是微秒的延迟也可能意味着安全制动和碰撞之间的区别。

1. 生物医学设备

血糖监测仪和心电图贴片等可穿戴医疗设备需要超低功耗、高精度的模拟电路。在这里，模拟电子设备可延长电池寿命，同时确保临床级精度。即使放大误差 1 mV 也可能转化为误诊。

1. 工业物联网

工厂依靠数千个传感器进行振动监测、预测性维护和过程自动化。这些环境中的模拟电路必须承受电噪声、温度波动和机械应力。与脆弱的数字逻辑不同，稳健的模拟设计可确保极端工业条件下的可靠性。

1. 环境监测

长期稳定性对于空气质量监测仪、土壤传感器或气象站至关重要。模拟电路专为低漂移和高线性度而设计，可保证多年一致的数据，而无需重新校准。

模拟在某些任务中相对于数字的优势

虽然数字处理提供了灵活性，但模拟处理在关键方面具有优势：

• 零延迟：模拟信号以物理速度传播——无需时钟周期。对于基于雷达的防撞来说，这种确定性性能是不可替代的。

• 电源效率：模拟前端的功耗远低于同等数字电路，这使得它们在每个微安都很重要的可穿戴设备和物联网节点中至关重要。

• 恶劣条件下的可靠性：模拟电路在极端环境（辐射、高温或电磁干扰）下继续运行，在这些环境中，数字逻辑经常发生故障。

正如凌力尔特联合创始人鲍勃·多布金（Bob Dobkin）的名言：“模拟永远不会消亡，因为世界是模拟的。

集成趋势：SoC 和 SiP 时代的模拟

该行业正越来越多地转向集成模拟和数字功能的片上系统 （SoC） 和系统级封装 （SiP）。例如，当今的MEMS惯性传感器通常在单个封装中包含片上AFE、ADC和数字处理器。这种集成减少了占地面积，提高了信号完整性，并支持可穿戴设备、无人机和自主系统的小型化。

然而，集成并不能消除对模拟专业知识的需求。相反，它要求工程师设计混合信号系统，其中模拟域和数字域之间的相互作用得到仔细管理。热漂移、带宽匹配和寄生效应等问题仍然完全存在于模拟领域。

结论：模拟作为永久基础

在数字化转型的竞赛中，模拟电子产品经常被忽视。然而，正是模拟决定了数字系统感知和响应物理世界的效率。无论是在自动驾驶汽车、医疗诊断还是工业自动化中，模拟仍然是现代传感器的永恒支柱。

对于工程师来说，信息很明确：掌握模拟设计不是一项遗物技能，而是一项面向未来的投资。系统变得越复杂和互联，确保坚如磐石的模拟基础就越重要。

正如电子先驱巴里·吉尔伯特（Barrie Gilbert）曾经指出的那样：“你可以数字化数据，但你无法数字化现实。现实是，也永远是模拟的。