电子产品世界

我一直对设计师在定义拓扑和选择项目组件时所做的权衡很感兴趣。毕竟，权衡是设计过程的核心，涉及一长串与体积、重量、功率、成本、可靠性、生产、风险等目标和约束。每种设计根据整体目标和必备条件对这些属性有不同的“权重”。

这就是为什么我们经常在许多设计中看到“老旧零件”——可能是5年、15年甚至15年前的——尤其是在模拟和功率部分。当使用新零件时出现不愉快意外的风险可能超过它们带来的渐进式改进，而旧零件则是已知且稳定的，这很合理。正如一位高级设计师跟我解释的，这有点像90/10的规则，你只想用少数较新的“亮”零件（10%）和它们带来的未知，90%的部分则选择经过时间考验的。

老旧组件在性能、特性、应用支持和可用性方面都有良好记录，因此通常更为稳妥。相比之下，新型号可能提供更多功能和更好的性能，但可能存在隐藏的细节，只有在许多设备“投入现场”后才会显现，且早期生产阶段可能存在问题。

当然，风险最大的选择是选择定制设计的零件，以实现最高性能和最符合应用目标，前提是前期工程成本和时间不算过高。然而，这种选择存在许多众所周知的不确定性和风险。这是一种经典的“制造还是购买”决策。

那JWST呢？

因此，我对詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2021年12月在NASA、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作项目中发射的诸多组成细节感到非常着迷。通过这些合作伙伴和其他渠道提供了大量优质信息，包括其设计和组装的照片，以及展示其多个子部分的高层次方块图，如图1所示。

图1。这张包含JWST众多功能模块的“大图”框图甚至无法开始展示系统的实际复杂性，反而引入了许多陌生的缩写。（图片来源：NASA)

看着系统、子系统、电路板以及各个电气和机械部件——当然，大多数都是完全或部分定制的——让我惊叹于这个项目是如何“整合起来”以取得如此惊心动魄的成功。由于它位于太阳-地球L2拉格朗日点附近的太空中，距离地球约150万公里（100万英里），这与地球轨道的哈勃太空望远镜的情况截然不同，如果情况不佳，JWST将没有第二次修复或调整任何东西的机会。

是的，预算超支数十亿美元且晚了好几年，但考虑到所有科学和技术未知，我不确定如何开始为这类项目制定预算和进度，除非是一个非常粗略且至少有+100%不确定性的数字。

我特别想了解更多关于模拟/数字转换子系统，它能将各种图像传感器的输出数字化。由于JWST需要设计和验证大量新零件，我原以为设计师会尝试通过使用符合空间容量的ADC来减少这些功能。在我看来，选择一个在生产和设计方面有“良好记录”的品牌，这样可以最大限度地减少风险和不确定性，是合理的选择。

我完全错了。他们不仅使用了专为任务优化的定制转换器，其设计还是一个更大集成电路的一部分，执行许多其他功能。它不是独立的ADC，而是更大型集成电路SIDECAR ASIC（图像数字化、增强、控制与检索专用集成电路）的一部分，见图2。

图2。（左）：这张侧挂ASIC的方框图显示，ADC只是整体集成电路的一小部分;（右侧）安装在PB板上的SIDECAR ASIC，并带有连接器。（图片来源：SPIE通过ResearchGate;欧洲航天局)

它像摩托车上的边车一样，靠近检测器，以减少模拟信号的传播距离，从而降低系统噪声。使用SIDECAR的三台仪器分别是近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）和精细制导传感器（FGS）。

自定义ADC——以及更多

SIDECAR ASIC涉及许多人和组织。ADC子系统由Lewyn Consulting Incorporated（LCI）创始人Lanny Lewyn博士设计，他受命创建嵌入成像器ASIC中的36通道19位ADC阵列。36个A/D转换器阵列必须符合分配的IC宽度限制。功率限制为每个转换器1.5毫瓦，速度为100千比特/秒，精度为16位±2.5 LSB积分非线性（INL）。它还需要满足特殊的成像要求——±0.3 LSB差分非线性（DNL）。还需要10×的速度模式，但分辨率较低。

Lewyn博士采用了他为另一个ADC项目开发的无量纲设计方法，称为伽马规则。这些无量纲布局设计规则可以移植到多个技术规模和代工厂，并且相比他在加州理工学院的导师Carver Mead创建的早期无量纲电路设计和布局方法（称为Lambda规则）有了显著改进。（米德教授与林恩·康威合著的1978年经典教材《VLSI系统导论》被广泛认为是VLSI革命的开端者。）西门子的坦纳EDA设计套件是主要设计工具，额外的设计和制造则由洛克希尔国际公司（现为Teledyne科学成像公司一部分）完成。

该设计采用逐次近似寄存器（SAR）架构，最有效位（MSB）采用精密电容阵列，最低有效位（LSB）采用精密电阻分频器，详见图3。为满足DNL要求，采用了一种算法方法，将MSB电容的电压开关边界与较低的LSB电阻完美匹配。此外，DNL要求仅规定随机误差为218,453分之一。

图3。SIDECAR ASIC的布局为其众多功能和房地产分配提供了更多见解。（图片来源：SPIE通过ResearchGate)

由于需要低功耗作且信号非随机性，使用传统自动校准技术校正小幅的A/D线性误差不可行。通过结合Lewyn博士此前使用的多项心心算法，满足了INL的要求。其中一种算法是完美定心算法，涉及元素的复制和旋转，而非并排晶体管方法。

SIDECAR ASIC在智利、夏威夷及其他地点的多个地面光学望远镜上进行了基本性能评估，但这只是第一步。它还在NASA的低温真空舱中进行了测试，以评估在恶劣太空环境中的性能。

超越JWST

由于JWST不是机密项目，因此有许多优质参考资料和资源可供参考，涵盖从宏观概述到详细技术讨论。参与该项目的系统工程师和设计师显然更倾向于采用SIDECAR方法，而非标准ADC，但他们也认为这是满足严格性能目标的唯一途径，而这些目标受严格约束。这是一个艰难的决定，但必须做出、测试、评估，并且超越了目标。

关键词： 设计师 旧组件 新组件 自定义组件