Vad hände med programmerbara analoga lösningar?

Nyligen fick jag ett e-postmeddelande via LinkedIn från någon som frågade om det fanns uppdateringar till en artikel jag skrev år 2001. Oj då! Prata om att det förflutna kommer tillbaka. Artikeln handlade om programmerbara analoga lösningar och gick in på olika konstruktionsalternativ för analoga signalkedjor.

Eftersom jag retar upp mig mycket på att nutida behandling av vardagliga nyheter många gånger saknar uppföljning av historierna (du ser dramatiska rapporter om arresteringar i realtid men sällan de rättsliga påföljderna), och eftersom nästan två årtionden gått sedan artikeln publicerades, tycktes det värt att gå in på ämnet igen.

Först måste jag dock klargöra en definition. Det finns många programmerbara analoga integrerade kretsar där användaren kan ställa in driftsparametrar eller funktioner som bandbredd eller samplingsfrekvens genom stiftbygling, diskreta motstånd eller program drivna via en I²C/SPI-port. Det är dock inte var jag menar med programmerbara i denna kontext.

Jag pratar istället om analoga komplement till FPGA (field-programmable gate array), en komponent som har en stor uppsättning ospecificerade digitala grindar och funktioner. Dessa kan anslutas efter behov för att skapa den slutliga kretstopologin och, med detta, extremt komplicerade digitala system. Idag är det vanligt med FPGA-matriser med över en miljon grindar. Utan tvivel har FPGA-matriser tagit en viktig plats – av anledningar som jag inte behöver förklara för denna läskrets – och nya produkter släpps med jämna mellanrum.

Figur 1: FPGA T4F81C från Efinix är inbyggd med SMICs process på 40 nanometer (nm) och uppvisar en typisk läckström från kärnan på mindre än 150 microampere (µA) vid 1,1 volt. (Bildkälla: Efinix)

Nyligen släpptes T4F81C2 Trion™ från Efinix. Denna FPGA är tillverkad med SMICs 40 nm-process och levereras i en BGA-kapsel med 81 kulor (figur 1).

T4F81C har en Efinix Quantum™-konstruktion av hög densitet och låg effekt lindad i ett I/O-gränssnitt i en kapsel med litet avtryck. Den är avsedd för ledande mobila, konsument- och IoT-marknader som behöver låg effekt, låg kostnad och liten formfaktor. Nämnvärt om T4F81C:

• Tillverkad med SMICs 40 nm-process
• Har typisk läckström från kärnan mindre än 150 µA vid 1,1 volt
• Högpresterande I/O med stöd för 1,8 volt, 2,5 volt och 3,3 volt enpoliga standard I/O-gränssnitt
• Med flexibel klockning i kretskortet
• Räknar med alternativ för enhetskonfiguration inklusive standard SPI- och JTAG-gränssnitt

Införseln av FPGA kommer att fortsätta i takt med att tekniken fortsätter att utvecklas och svarar på diverse krav och tillämpningar, men inte många programmerbara analoga enheter har dykt upp på senare tid.

Det verkar vara en bra idé, så …?

Det verkar finnas behov av en analog integrerad krets med flertalet ospecificerade analoga funktioner. I teorin skulle det kunna tillföra en värdprocessor med hela den analoga signalkedjan för sensorgränssnitt, signalkonditionering, filtrering och till och med I/O (bara som exempel). FPAA (field-programmable analog array) skulle till och med kunna konfigureras i OEM-produktionslinjen med funktioner som behövs för olika produkter inom en familj eller serie, så att strukturlistorna skulle vara desamma för olika produkter. Och om funktionsändringar i den analoga kedjan behövs skulle de kunna implementeras utan att behöva göra om mönsterkort, vilket medför fördröjningar och osäkerhet.

Verkligheten är att programmerbara analoga lösningar som denna inte har blivit populära bland konstruktörer. Om vi titta på leverantörerna som jag citerade i artikeln från 2001, har vissa försvunnit och andra har blivit uppköpta av andra IC-företag – vilket är ganska normalt i branschen och i sig inte anmärkningsvärt – men ingen har utvecklat någon imponerande marknadsnärvaro. I den mån denna typ av produkter fortfarande är tillgängliga, har de väldigt låg profil. Jag hör inte att konstruktörer ser programmerbara analoga lösningar som ett alternativ till deras signalkedjebehov.

Varför har inte programmerbara analoga lösningar tagit fart? Jag tror att det beror på de analoga kretsarnas inneboende, oundvikliga natur och funktionerna de tillför. Om du tar en titt på moduler med de mest grundläggande analoga funktioner, som operationsförstärkare och komparatorer, har de flesta återförsäljare dussin eller till och med hundratals av dessa i sina portföljer (se Jag är helt snurrig: Varför finns det så många operationsförstärkare?). Anledningen är att varje modell är anpassad efter konstruktion, tillverkningsprocess och testning/trimning för att erbjuda en unik kombination av prestandaegenskaper. Till exempel kan en operationsförstärkare ha mycket lågt brus men mer offsetdrift än en annan liknande med högre brus.

Flerdimensionella kompromisser är vad det handlar om

Konstruktören måste utvärdera kompromisserna och besluta vilket pris att betala för att erhålla önskad prestanda med de randordnade prioriteterna. Andra operationsförstärkare erbjuder olika kombinationer av viktiga statiska och dynamiska specifikationer. Vissa är utmärkta i ett eller två områden men halvdant i andra. Andra enheter kan vara ”ganska bra” i de flesta specifikationer men inte riktigt bra i något särskilt område. Frågan är då, vilken konstruktion är den rätta?

Som alltid är svaret ”beror på”, grundat på rankningen av konstruktionsprioriteter och uppvägda kompromisser. Tänk på de flertal parametrar som används för att utvärdera grundläggande operationsförstärkare, som hastighet, spänningsoffset, biasström, temperaturdrift, bandbredd, brus, dissipation, förstärkning, effekt, spänningsintervall och, ja, ni förstår vad jag menar. Det är en väldigt lång lista.

Om du dessutom går tillbaka och tittar på helheten, till skillnad från den digitala världen i FPGA, ser du att de flesta analoga signalkedjor inte har många funktionsblock och de som finns skiljer sig ofta stort från varandra. Viktiga egenskaper för det analoga blocket kommer att bero på signalens placering: vad du behöver i ett sensorgränssnitt är inte vad du behöver lägre fram i bandpassfiltret, för att driva en last, eller för processorns in- och utgångar.

Tänk exempelvis på Analog Devices AD5940, en nisch-IC med högprecis impedans och elektrokemisk frontend för användning i kemiska laboratorier (figur 2). AD5940 räknar med ett stort antal analoga och digitala funktioner, men de analoga är de mest varierande med specifikationer som noggrant har fastställts för att vara kompatibla med de elektrokemiska sensorerna de ger stöd åt.

Figur 2: Förenklat blockdiagram över AD5940. (Bildkälla: Analog Devices)

Samtidigt som den har en intern analog-till-digitalomvandlare och till och med en mikrostyrenhet för intern styrning, är konstruktionens mest känsliga del sektionen där gränssnittet till de specialiserade labbelektroderna för potentiostater finns, inkluderat operationsförstärkare med biasström nära noll och programmerbar förstärkning. De analoga funktionerna inom en mer generell FPAA skulle inte ha de känslighetsegenskaper som behövs.

Slutsatser

Trots principens inledande attraktiv, är verkligheten att en generell matris av analoga block inte möter de diverse behov som finns i många tillämpningar. Kompromisserna skulle vara oacceptabla, samtidigt som de verkliga fördelarna avseende strukturlistors komplexitet, mönsterkorts verkliga tillstånd och andra konstruktionsfaktorer inte skulle vara nog för att göra det värt besväret.

För de flesta analoga konstruktioner, är några få (och ofta olika) noggrant utvalda integrerade kretsar som bäst passar till respektive del i signalkedjan ett bättre konstruktionsalternativ. Den goda nyheten? Det finns ingen brist på bra alternativ för varje steg i kedjan.