Analóg tervezés: a digitális világunk kulcsfontosságú összetevője

Könnyű azt gondolni, hogy a hálózatba kapcsolt világ kizárólag digitális.
A valóság azonban nem is állhatna távolabb az igazságtól. Minden olyan alkalmazás, amelynek működése valós környezeti adatokon alapul, analóg információkra támaszkodik.

A hőmérséklet, a páratartalom, a légnyomás és a fényerősség mind analóg értékek. A feszültség, az áram és a rádiófrekvenciás mérések szintén analógok. Számos áramkör működik analóg vagy vegyes jelű tartományban – DC/DC teljesítménykonverzió, vezeték nélküli modulok, érzékelők és így tovább. A folytonos analóg jeleket mintavételezéssel diszkrét minták sorozatává, digitális jellé alakítják, hogy a mikrokontrollerek és mikroprocesszorok hatékonyan tudják feldolgozni őket. Egyes félvezető IC-k tisztán analóg tartományban működnek – ilyenek például a műveleti erősítők, a teljesítményátalakítók és a vezeték nélküli adó-vevő eszközök.

Az élet analóg

A modern ipari automatizálási és folyamatirányítási rendszerek felelősek azért, hogy a gyárak és a gyártóüzemek működési hatékonysága magas szintre emelkedjen. A felügyeleti és vezérlőrendszerek folyamatos adatáramlást kapnak a termelési eszközökről, például a motorokról és a működtetőelemekről. Az analóg jelgyűjtő és feldolgozó áramkörök létfontosságú funkciókat látnak el a kritikus szabályozási körökben. Az előre meghatározott referenciaértékekhez képest hirtelen vagy hosszú távú adatváltozások figyelmeztetik az üzem vezetését a közelgő meghibásodás lehetőségére. Az adatok gyűjtése különféle érzékelőkkel történik, az egyszerű hőmérsékletmérésektől kezdve a bonyolultabb rezgési, mikroelektromechanikus rendszerekig (MEMS).

Analóg-digitális átalakítás – a kényelem funkciója

A mért adatok feldolgozása, manipulálása és értelmezése a digitális tartományban történik, olyan feldolgozóeszközökkel, mint a mikrokontrollerek, mikroprocesszorok és FPGA-k (field-prog­rammable gate array-k). Ezek az eszközök másodpercenként több száz vagy millió összetett számítást képesek elvégezni, lehetővé téve a vezérlőrendszer más részeinek, hogy eldöntsék, milyen művelet szükséges.
Az analóg adatok digitális rendszerbe történő átvitele egy analóg-digitális átalakító (ADC) IC-n belül történik (1. ábra).

1. ábra Analóg-digitális átalakító IC (forrás: Microchip)

Egyszerűbben fogalmazva, az ADC egyenletes sebességgel méri az analóg jelet, és minden egyes mintához digitális értéket rendel. A digitális érték felbontása a felhasznált bitek számától függ. Minden egyes digitális érték egy analóg értéktartományt képvisel, így a sima szinuszhullám digitális kimenete digitális lépések vagy szintek sorozatává válik. Minél több az ADC bitje, annál kisebbek a lépések, ami nagy felbontást eredményez. Az ADC IC-k jellemzően 8 bites, 12 bites, 14 bites és 16 bites felbontással állnak rendelkezésre. Egy 8 bites ADC egy analóg jelet legfeljebb 256 szintre képes felbontani. Ezzel szemben 65 536 szintet biztosít egy 16 bites ADC.

Analóg alkalmazások

Az érzékelő IC-k vagy modulok jellemzően tartalmaznak egy ADC-t és egy digitális interfészt. Ezzel a megközelítéssel a mérési, konverziós és csatlakoztatási funkciók egyetlen kompakt csomagba integrálódnak, értékes PCB-területet takarítva meg. Számos energiatakarékos mikrokontroller és mikroprocesszor is tartalmaz analóg átalakítási funkciókat, ami a fejlesztőmérnökök számára tervezési rugalmasságot és lehetőséget biztosít az összes átalakítási, feldolgozási és értelmezési funkció egyetlen alacsony fogyasztású IC-n belül történő elvégzésére. A 2. ábra egy tipikus integrált hőmérséklet-érzékelő IC-t mutat be integrált soros digitális I²C interfésszel.

2. ábra Példa egy analóg hőmérséklet-érzékelő IC-re felhasználó által választható ADC konverziós képességgel és digitális interfésszel

Az érzékelő -55 °C és +125 °C közötti hőmérsékletet képes mérni, az integrált ADC pedig 9 bites és 12 bites tartományban konfigurálható. A 9 bites konverzió 0,5 °C-os mérési felbontást biztosít, 12 bites esetén pedig 0,0625 °C-os felbontást.
Az ipari megelőző karbantartási alkalmazásokban, például az állapotfigyelésben a motor rezgésprofiljának valós idejű mérése és elemzése jó jelzést ad a motor állapotáról. A rezgés mérése MEMS gyorsulásmérővel történik, és az eredményt g-ben adják meg.
A MEMS-érzékelőket félvezetőgyártási technikákkal gyártják és finomítják. A legtöbb MEMS gyorsulásmérő három miniatűr felületet használ, egy merev és egy rezgésre képes felületet, hogy érzékelje a gyorsulási vagy lassulási erőket az X, Y és Z tengelyen (3. ábra).

3. ábra A gyorsulási és lassulási erők mérése három tengelyen a MEMS érzékelő IC-tokhoz képest

A MEMS-szerkezetek mikroszkopikus mozgása kapacitási változásokat eredményez a tengelyek között, ami mérés esetén jelzi a jelenlévő erők nagyságát és tengelyeit.
Az egyes tengelyek analóg kapacitásértékei mérésre és digitális alakításra kerülnek. Néhány digitális jelfeldolgozási technika után az adatok az I²C soros interfészen keresztül elérhetők a gazdaprocesszorral való kommunikációhoz. Az összes szükséges érzékelő­funkció egy alkalmazásspecifikus integrált áramkörbe (ASIC) integrálódik, amely a MEMS elemmel együtt egy rendszer egyetlen tokban (SiP) IC-t alkot.

Az analóg félvezetőgyártási technológiák optimalizálják
az integrált áramfogyasztási profilokat

A félvezetőtervezés tovább fejlődik. A félvezetőket, például az IC-ket, fotolitográfiailag egy meghatározott geometriával gyártják, amely meghatározza az egyes félvezetők vonalszélesség- (felbontás-) méretét. Minél kisebb a geometria, annál nagyobb a tranzisztorsűrűség, ami lehetővé teszi az adott helyen gyártott összetettebb és kifinomultabb eszközök előállítását. Ahelyett, hogy egyetlen funkciót, például egy mikrokontrollert tokoznának egy eszközbe, a nagymértékben integrált rendszer a chipen (SoC) lehetővé teszi, hogy mikrokontroller, vezeték nélküli adó-vevő, analóg jelfeldolgozó áramkör, érzékelő, energiagazdálkodás, memória, passzív alkatrészek és kriptográfiai funkciók egyetlen IC-tokban legyenek elhelyezve. Ez a megközelítés kiváló hír a helyszűkében lévő, akkumulátoros IoT-alkalmazásokat fejlesztő tervezőmérnökök számára.
Tíz évvel ezelőtt a tipikus félvezetőgyártási technológia felbontása 28 nm volt. Ma már a 10 nm és a 7 nm a megszokott, a félvezetőgyártók és bérgyártók (semiconductor foundry companies) pedig az 5 nm-es és a 3 nm-es gyártásra készülnek. Egyes IC-k nem igénylik a legkisebb vonalszélességet, így a hagyományos geometriájú IC-k ma már életképes, olcsó alternatívát jelentenek. Például az 55 nm-es és 65 nm-es felbontású eszközök még mindig keresettek, különösen az analóg funkciójú félvezetők esetében. Sok analóg IC még mindig 300 nm-es eljárást használ.
A félvezető-gyártástechnológia fejlődése mellett az IC-k létrehozásához használt folyamattechnológia is jelentősen fejlődött. Az egyik feldolgozási technológia – például a BCD (Bipolar CMOS DMOS) – egy másikkal szemben való alkalmazásának mozgatórugója az, hogy megtalálják az adott alkalmazásokhoz vagy elektromos tulajdonságokhoz jobban megfelelőt. Az ST Microelectronics által kifejlesztett BCD a CMOS és a DMOS technológiák legjobb tulajdonságait ötvözi. A CMOS (komplementer fém-oxid félvezető) a digitális IC-k alapköve, a DMOS (kettős diffúz fém-oxid félvezető) pedig alkalmasabb a nagyfeszültségű és nagyobb teljesítményű félvezetőkhöz.
Más folyamattechnológiák csökkentik az IC-k aktív és készenléti energiafogyasztását és szivárgási áram jellemzőit, amelyek létfontosságúak minden akkumulátorral működő eszköz, például ipari érzékelők és kézi adatgyűjtő eszközök számára.
A 4. ábra a Renesas által kifejlesztett SOTB (Silicon on Thin Buried Oxide) folyamattechnológia jellemzőit szemlélteti más technológiákkal összehasonlítva.

4. ábra A Renesas SOTB-eljárási technológiájának összehasonlítása

Egyes gépi tanulásra fókuszáló félvezetőgyártók szintén az analóg technikák felé fordulnak, hogy rendkívül alacsony fogyasztású, nagy sűrűségű neurális hálózati IC-t hozzanak létre a szükséges lépések megtételére egy ipari IoT megvalósítás végpontján. Ez a megközelítés lehetővé teszi, hogy egy dedikált neurális hálózati IC figyelje bizonyos események bekövetkezését; például egy motor rezgésjellemzőjének hirtelen megváltozását. A többi felügyeleti áramkör a legmélyebb, alacsony energiaigényű alvó üzemmódban maradhat, amíg a neurális hálózati IC megszakítást nem vált ki az ébredéshez.

Analóg szimuláció

Sok digitális alapú áramkörrel ellentétben egy analóg funkció megtervezése általában több tervezési erőfeszítést és alkatrészválasztást igényel. Például három műveleti erősítő használata egy aktív sávszűrő létrehozásához egy érzékelő analóg frontendjében és jelkondicionáló áramkörében. A műveleti erősítő adatlapja meg­adja a mérnököknek a szükséges képletet a passzív alkatrészek, jellemzően ellenállások és kondenzátorok kiszámításához, hogy elérjék a kívánt szűrő sávszélességét és középfrekvenciáját. Ezeknek az értékeknek a kidolgozása egy háromfokozatú szűrő esetében azonban jelentős időt vesz igénybe. Egy másik példa a DC/DC teljesítményátalakító modul induktivitás- és kondenzátorértékeinek kiszámítása.
Az analóg szimulációs eszközök jelentősen leegyszerűsítik és felgyorsítják az ilyen szükséges fejlesztési feladatok elvégzéséhez szükséges tervezési terheket. Az olyan online erőforrások, mint a Microchip MPLAB Mindi, az ST eDesignSuite és az Infineon Designer vizuális és intuitív felhasználói felületeket és szimulált működési eredményeket biztosítanak.

Analóg tervezés – elengedhetetlen a hálózatba kapcsolt világunkban

Az analóg világunkban analóg tervezési elvekre és analóg áramköri funkciókra van szükségünk. Ezek nélkül az analóg eszközök, például az érzékelők nem tudnának hőmérsékletet mérni, vagy az aktív szűrők nem távolítanák el a nem kívánt zavaró jeleket.
Az analóg IC-k szállítói számos erőforrást, például alkalmazási jegyzeteket, referenciaterveket, kiértékelő eszközöket és online áramkör-szimulációs eszközöket biztosítanak a mérnökök számára, amelyek egyszerűsítik a tervezési folyamatot. Továbbá az EBV Elektronik mérnökei is bármikor rendelkezésre állnak fejlesztési koncpeciók kialakításánál vagy kapcsolási rajzok ellenőrzésénél.
Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy megbizonyosodhasson arról, hogy az alkalmazásaihoz a legoptimálisabb megoldást választja!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Gnyálin István
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 34 96
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com