如何利用一颗可编程模拟IC取代数十颗芯片

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就像今天半导体产业中的几乎所有事一样,硬件系统设计者们也在竭尽所能地减少开支。在你添加新的单功能集成电路时,你需要花时间去评估,阅读新的数据资料,甚至是从 IC厂商那里寻求支持。每一种设备都需要采购,库存,建立产品编号,进行额外的审计和操作。在这期间,劳动力和库存空间相加,维持一个新的 IC所需的成本一般在$600到$800/年。通常认为,可复用的设计越多,投入市场的时间就越快;同时还能最大限度地降低成本、风险和设计复杂性。这篇文章,我们讨论可编程模拟装置,包括它的工作原理和对设计人员的好处。

有效的重用设计最大程度缩短上市时间

作为IC系统设计师,您会将什么放在理想的可编程模拟器件中?首先从20个端口的可编程ADC、DAC、数字IO、开关、电平转换器,以及内部和外部温度传感器连接开始,使任意端口都可配置为以上任意功能。您可以尝试MAX11300,来看看该器件能为您带来什么实际好处?

考虑以下情况。许多时候,设计者仍然需要低于地电势的电压以及真正的双极性能力。可能是用于传统的-10V工业信号,或者为了保留一定裕量,将放大器的负电源偏置到略低于地电势。或者用于传感器略微为负的电压。利用MAX11300可编程模拟IC,ADC和DAC提供真正的12位精度(±1LSB DNL和INL)。输入和输出可以为单极性或真正的双极性(±5V或0至-10V),以满足工业应用。由于许多最新的混合信号IC设计为单极性输入和输出,一般为地电势(0V)至3.3V或5V,双极性的灵活性尤其有利。

需要额外更多IO?没问题。您由于升级至新微控制器实际应用中的射频而需要3.3V至1.8V电平转换器?完全搞定。需要差分输入ADC来测量检流电阻?可编程模拟器件也完全支持。

功率放大器(PA)控制

当今的电子系统中,系统检测和控制至关重要。射频(RF)基站就是最好的例子。由于环境条件和无线设备的数量不断变化,需要持续控制和监测基站内的功率晶体管,以优化电源效率。毫无疑问,您需要多个ADC、DAC以及模拟开关来动态实施系统监测。

检测电阻两端的高性能ADC能够高精度测量功率晶体管的栅-源电压以及通过的电流。也需要测量功率晶体管的温度,以确保未发生过热。晶体管过热时,需要快速连接对地开关,以防这些昂贵的功率晶体管热击穿和损坏。为实现最大效率,需要调整晶体管的栅极电压。

图1所示为RF基站应用。其中集成了外部电源、电流检测放大器、隔离和微控制器。仅使用一片可编程模拟IC——MAX11300——偏置和检测2级RF PA频分双工(FDD)和时分复用(TDD)。使用了Infineon? PTMA210152M 15W、两级PA,但也可使用任何相当的PA。

本例中,微控制器(或微处理器)与ADC及DAC持续通信,并使用多个查找表。MAX11300可快速实现测量内部或外部温度、更改DAC值所需的任何模拟功能,或者在200ns内闭合开关,以防功率晶体管热击穿。现代化基站也需要功率管上的栅极负电压,例如DAC可输出负电压。MAX11300提供多种负输出电压范围(±5V或0至-10V)。

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图1.参考设计(MAXREFDES39#)原理图,偏置和监测基站中的射频功率放大器。为增加通用性,MAX11300配置为6个单端ADC、4个DAC、2个开关和2个通用输出(GPO)。

通过控制和监测提高系统可靠性


当今的系统需要保证99.999%(或更高)时间的正常运行,有时也称为5个9。这意味着系统几乎保证时刻运行,无论是炼油厂、汽车生产线还是食品加工厂。
所以,问题在于真实的系统可靠性。设计者必须第一时间知道特定的分立式元件是否工作异常,例如电阻、电感、电容或IC。在元件或IC失效之前,及时捕获这些状态,就能够实现更长的工作时间、更高的工厂产量、更高的系统可靠性,并取得最终用户的欢心。
图2所示为详细的常见控制和监测(或系统辅助功能)诊断功能,确保系统的电源电压和温度均工作在最佳范围。如果没有这样的诊断功能,产品可能在现场失效或发生间歇性故障。

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图2.采用MAX11300可编程混合信号I/O器件的控制和监测示例。本例监测和控制一对外部电流检测放大器、电位计、风扇、温度二极管,以及一对用于I2C时钟和数据线的电平转换器。
从图2中的左上部开始顺时针方向,顶部的4个端口作为I2C接口的数字I/O。传感器的5V时钟(SCL)和数据线(SDA)被转换至系统控制器的3.3V逻辑电平。时钟信号为单向,数据线为双向,可用于读和写操作。

其中一个DAC用于编程产生至负载的模拟电压输出。本例中,选择的是4–20mA输出环路。其中一个ADC通道用于检查DAC电压是否符合预期。也在外部通过RS和MAX44285电流检测放大器检查电流。然后将MAX44285输出反馈至另一个集成ADC。这就形成完整的控制环路。

4个端口组成一对模拟开关和数字控制线。其下是类似的电流驱动和ADC配置,以测量和控制电流。本例中,DAC连接至晶体管,使用MAX44285双通道放大器的第二个通道。
图2中左侧为温度传感器和风扇的温度控制。在其上方,利用另一个ADC通道测量偏置在10V和地电势之间的电位计。

当今的微控制器中也集成了MAX11300内的部分功能电路。然而,许多客户仍然使用多个分立式ADC、DAC、温度传感器和开关,因为他们不希望增加微控制器负担。在这种情况下,客户更希望微控制器连续执行其处理程序,而不是花费任何时间周期执行系统监测功能。在此类应用中,外部系统监测IC可实现效率更高的系统。

通用性强,但并不是灵丹妙药

MAX11300可编程模拟IC具有相当大的设计灵活性,但我们需要客观对待:器件并不能满足所有应用。由于ADC和DAC受限于12位,IC并不适合需要16或24位的仪器仪表或高精度电子秤。通常来说,12位DAC足以满足4–20mA模拟控制环路,但有的设计者更喜欢使用16位。
该可编程模拟芯片并不能代替模拟厂商的数以百计的放大器和开关,仍然需要输入缓冲器和外部信号调理。在很多时候仍然需要外部多路复用器/开关,取决于信号链中复用器、放大器及ADC的配置。如果使用MAX11300的集成方法可满足要求,那么输入和输出阻抗等技术指标将起决定作用。确定这些设计决策正是模拟设计“魔法”的魅力所在。

总结

在新的应用中,硬件设计公司常常寻求重复使用现有的设计。采用可编程模拟装置,设计人员可以使单器件和可配置电路满足多种不同的需要。与此同时,如果一个可编程模拟器件具有10到20个不同的模拟元件,硬件公司的采购部就必须进行大量的调研。程序模拟装置也意味着不一定非要成为模拟专家才能进行系统设计。MAX11300可以看做一个模拟集中器,围绕着 FPGA、处理器和 ASIC这样的复杂数字设备工作。结合可编程模拟能力与FPGA及处理器的灵活性,可大幅扩展系统的使用范围。

可编程模拟器件并不能代替所有模拟功能,但MAX11300的拖曳式GUI能够快速配置IC,将全部20个端口保存至位流,可从FPGA、微控制器或处理器快速装载。这就为设计者节省大量电路板空间和成本,增加了系统辅助功能、控制和测量、功率放大器控制环路等应用的灵活性和配置能力。