Wat is er eigenlijk gebeurd met “programmeerbaar” analoog?

Kortgeleden ontving ik via LinkedIn een mailtje van iemand die mij vroeg naar een artikel dat ik jaren terug schreef, in 2001. De afzender wilde weten of er misschien nieuwe ontwikkelingen te melden waren. Wow – als je het hebt over geconfronteerd worden met het verleden! Het artikel ging over 'programmeerbaar analoog' en besprak een alternatieve ontwerpoptie voor analoge signaalketens.

Aangezien een van mijn vele ergernissen ten aanzien van de huidige nieuwsberichtgeving het gebrek aan verslaggeving over de follow-up van verhalen betreft (je krijgt een dramatisch live-verslag van de arrestatie, maar kunt maar zelden iets lezen over de uitkomst van het proces) en aangezien er bijna twee decennia zijn verstreken sinds dat artikel verscheen, leek het me de moeite waard om het onderwerp opnieuw onder de loep te leggen.

Op de eerste plaats hebben we echter een duidelijke definitie nodig. Er zijn veel programmeerbare analoge IC's op de markt waar de gebruiker enkele operationele parameters of functies, zoals bandbreedte of bemonsteringssnelheid, kan instellen met behulp van pin-strapping, discrete weerstanden of software die wordt aangestuurd via de I²C/SPI-poort. Dat is echter niet wat ik in deze context bedoel met “programmeerbaar”.

Waar ik het over heb, is de analoge aanvulling op de field-programmable gate-array (FPGA), een component met een groot aantal niet-toegewezen digitale poorten en functies. Deze kunnen onderling worden verbonden zoals nodig is om de uiteindelijke circuittopologie te creëren en zo extreem gecompliceerde digitale systemen te leveren; FPGA's met meer dan een miljoen poorten zijn vandaag de dag volstrekt normaal. Het lijdt geen twijfel dat FPGA's enorm belangrijk zijn geworden, om redenen die ik niet hoef uit te leggen aan het lezerspubliek van dit artikel; en er blijven maar nieuwe producten op de markt komen.

Afbeelding 1: de T4F81C FPGA van Efinix is gebouwd op het 40 nanometer (nm) proces van SMIC en heeft een typische kernlekkage van minder dan 150 microampère (µA) bij 1,1 volt. (Bron afbeelding: Efinix)

Een product dat recent is uitgebracht is de T4F81C2 Trion™ van Efinix. De FPGA is gebouwd op het 40 nm proces van SMIC en wordt geleverd in een BGA verpakking met 81 kogels (Afbeelding 1).

De T4F81C is uitgerust met het energiezuinige Efinix Quantum™ weefsel met hoge dichtheid, dat samen met een I/O-interface in een verpakking met kleine voetafdruk is gewikkeld. De markten waarvoor hij is bestemd zijn die van mobiele apparaten, consumentenproducten en IoT, waarvoor zuinig energieverbruik, lage kosten en een kleine vormfactor belangrijk zijn. De voornaamste punten van T4F81C:

• Gebouwd op 40 nm proces van SMIC
• Heeft een typische kernlekkage van minder dan 150 µA bij 1,1 volt
• Biedt hoogperformante I/O die 1,8 volt, 2,5 volt en 3,3 volt eenzijdige I/O standaarden en interfaces ondersteunen
• Biedt flexibele on-chip klok
• Onder de apparaatconfiguratie-opties zijn onder meer standaard SPI en JTAG interfaces

Er zullen nieuwe FPGA's uit blijven komen naarmate de technologie zich verder ontwikkelt en deze zullen zich op meer uiteenlopende vereisten en toepassingen richten, maar er zijn de afgelopen tijd niet veel programmeerbare analoge apparaten bijgekomen.

Dat klinkt allemaal goed, dus…?

Het kan lijken dat er behoefte bestaat aan analoge IC's met talrijke niet-toegewezen analoge functies. In theorie zou dit de gehele analoge signaalketen voor sensorinterface, signaalconditionering, filtering en zelfs I / O voor een hostprocessor kunnen bieden (om maar een voorbeeld te geven). Deze field-programmable analoge array (FPAA) zou zelfs kunnen worden geconfigureerd op de OEM productielijn om functies te leveren die nodig zijn voor verschillende producten binnen een familie of serie, waardoor de stuklijst gemeenschappelijk zou zijn voor meerdere producten. Dit zou ook betekenen dat, als er wijzigingen in de functionaliteit van de analoge keten nodig zijn, deze geïmplementeerd zouden kunnen worden zonder de gevreesde re-spin, oftewel herfabricage, van de printplaat, met alle vertragingen en onzekerheden van dien.

De realiteit is dat 'programmeerbaar analoog' van dit type eigenlijk niet zo is aangeslagen bij de gemeenschap van technische ontwerpers. Kijkend naar de leveranciers die ik in dat artikel uit 2001 heb aangehaald, kunnen we zeggen dat sommige zijn verdwenen terwijl andere zijn opgegaan in andere IC-bedrijven - dat is vrij normaal in deze branche en op zich niet opmerkelijk - maar geen van deze leveranciers is op de een of andere manier een toonaangevende aanwezigheid op de markt geworden. Deze productklasse, voor zover nog beschikbaar, heeft een zeer laag profiel; ik ken geen gevallen van ontwerpers die programmeerbaar analoog als een mogelijke oplossing voor hun signaalketenvereisten zien.

Waarom is programmeerbaar analoog niet aangeslagen? Ik denk dat het te wijten is aan de inherente, onvermijdelijke aard van analoge circuits en de functies die zij bieden. Als je kijkt naar de meest basale analoge constructieblokfuncties zoals opamps en vergelijkers, bieden de meeste leveranciers tientallen of zelfs honderden van dergelijke producten in hun portfolio, (zie “Mijn hoofd tolt ervan: waarom zoveel opamps?”). De reden is dat elk model door het ontwerp, het fabricageproces en de test/trimprocedure specifiek is afgesteld om een unieke combinatie van prestatie-eigenschappen te bieden. De ene opamp kan bijvoorbeeld uitmunten door zeer lage ruis, maar meer offset-drift vertonen dan een ander enigszins vergelijkbaar product met hogere ruis.

Het betreft afwegingen die meerdere dimensies kennen

De ontwerper moet afwegingen tussen voor- en nadelen maken en beslissen welke prijs, in termen van prestatie, er betaald kan worden om de gewenste prestaties te verkrijgen en aan de gevraagde prioriteiten te voldoen. Andere opamps bieden verschillende combinaties tussen de belangrijkste statische en dynamische specificaties, waarvan sommige op een of twee punten uitmunten, maar 'zo-zo' presteren op andere, terwijl weer andere apparaten voor de meeste specificaties 'aardig goed' zijn, maar niet echt geweldig uitblinken in een van die specificaties apart. Dus, wat is de “juiste” voor het ontwerp?

Zoals altijd luidt het antwoord: “dat hangt ervan af”; van de aanwezige ontwerpprioriteiten en van de afweging van voor- en nadelen. Denk aan de vele parameters die worden gebruikt voor het beoordelen van basale opamps zoals snelheid, spanningsafwijking, voormagnetiseringsstroom, temperatuurafwijking, bandbreedte, ruis, dissipatie, versterking, besturingscapaciteit, spanningsbereik en en... wel dat is wel genoeg om duidelijk te maken dat het echt een hele waslijst is.

Bovendien, als je een stapje terug doet en naar het grotere plaatje kijkt, zie je dat, anders dan in de digitale wereld van de FPGA's, de meeste analoge signaalketens gewoon niet veel functionele blokken hebben, en degene die ze hebben zijn onderling meestal dramatisch verschillend van elkaar. De kritieke karakteristieken van het analoge blok veranderen op grond van de locatie van het signaal: wat je nodig hebt in een sensor-gerichte interface is niet wat je verderop nodig hebt bij het banddoorlaatfilter, om een belasting aan te sturen of voor de processor I/O.

Neem bijvoorbeeld de AD5940 van Analog Devices een niche-IC die een uiterst nauwkeurige impedantie en een elektrochemisch front-end voor chemische labopstellingen biedt (Afbeelding 2). De AD5940 bevat een groot aantal analoge en digitale functies, maar de analoge functies zijn het meest gevarieerd, met specificaties die zorgvuldig worden bepaald om compatibel te zijn met de elektrochemische sensors die ze ondersteunen.

Afbeelding 2: het vereenvoudigde blokschema van de AD5940. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Alhoewel het een interne analoog/digitaal-omzetter (ADC) en zelfs een microcontroller voor intern beheer heeft, is het gevoeligste deel van het ontwerp de sectie die gekoppeld is met de specialistische labelektrodes van potentiostaten, waaronder opamps met een voormagnetiseringsstroom van bijna nul en versterkers met programmeerbare versterking (programmable-gain amplifiers - PGA's). De analoge functies in een meer algemene FPAA zouden niet beschikken over de benodigde gevoeligheidskarakteristieken.

Conclusie

Alhoewel het er op papier aanvankelijk aantrekkelijk uitziet, komt het er in de realiteit op neer dat een algemene array van analoge blokken niet aan de uiteenlopende behoeften van veel toepassingen kan voldoen. De compromissen zouden onacceptabel zijn, terwijl de feitelijke voordelen, zoals een vereenvoudiging van de stuklijst, minder printplaatruimte en andere ontwerpfactoren niet zwaar genoeg wegen om het de moeite waard te maken.

Voor de meeste analoge ontwerpen is de beste ontwerpbenadering om te kiezen voor een paar (en meestal verschillende) IC's die zorgvuldig zijn uitgekozen om optimaal bij elk deel van de signaalketen te passen. Het goede nieuws? Er is zeker geen tekort aan goede keuzemogelijkheden voor elk verschillende stadium van die keten.