利用一顆可編程模擬IC取代數(shù)十顆芯片

利用一顆可編程模擬IC取代數(shù)十顆芯片LinkedIn如同當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)幾乎所有事情一樣，硬件系統(tǒng)設(shè)計師也正在極力做到少花錢多辦事。當(dāng)您增加新的單功能集成電路（IC）時，您需要花費時間進行評估、閱讀新數(shù)據(jù)資料，甚至尋求IC廠商的支持。每種器件都需要采購、庫存、建立產(chǎn)品編號以及執(zhí)行附加審核和運作。所有這些時間、勞力以及庫存空間加起來，維持一種新IC所需的費用通常在大約$600至$800/年。一般普遍認為，您可重用的設(shè)計越多，上市時間就越快；同時也將把成本、風(fēng)險以及設(shè)計復(fù)雜度降至最低。本文中，我們討論可編程模擬器件，包括其工作原理以及對設(shè)計者的好處。我們希望——好處多多！有效的重用設(shè)計最大程度縮短上市時間作為IC系統(tǒng)設(shè)計師，您會將什么放在理想的可編程模擬器件中？首先從20個端口的可編程ADC、DAC、數(shù)字IO、開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換器，以及內(nèi)部和外部溫度傳感器連接開始，使任意端口都可配置為以上任意功能。您可以嘗試MAX11300，來看看該器件能為您帶來什么實際好處？考慮以下情況。許多時候，設(shè)計者仍然需要低于地電勢的電壓以及真正的雙極性能力。可能是用于傳統(tǒng)的-10V工業(yè)信號，或者為了保留一定裕量，將放大器的負電源偏置到略低于地電勢?；蛘哂糜趥鞲衅髀晕樨摰碾妷?。利用MAX11300可編程模擬IC，ADC和DAC提供真正的12位精度（±1LSBDNL和INL）。輸入和輸出可以為單極性或真正的雙極性（±5V或0至-10V），以滿足工業(yè)應(yīng)用。由于許多最新的混合信號IC設(shè)計為單極性輸入和輸出，一般為地電勢（0V）至3.3V或5V，雙極性的靈活性尤其有利。需要額外更多IO？沒問題。您由于升級至新微控制器而需要3.3V至1.8V電平轉(zhuǎn)換器？完全搞定。需要差分輸入ADC來測量檢流電阻？可編程模擬器件也完全支持。實際應(yīng)用中的射頻功率放大器（PA）控制當(dāng)今的電子系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測和控制至關(guān)重要。射頻（RF）基站就是最好的例子。由于環(huán)境條件和無線設(shè)備的數(shù)量不斷變化，需要持續(xù)控制和監(jiān)測基站內(nèi)的功率晶體管，以優(yōu)化電源效率。毫無疑問，您需要多個ADC、DAC以及模擬開關(guān)來動態(tài)實施系統(tǒng)監(jiān)測。檢測電阻兩端的高性能ADC能夠高精度測量功率晶體管的柵-源電壓以及通過的電流。也需要測量功率晶體管的溫度，以確保未發(fā)生過熱。晶體管過熱時，需要快速連接對地開關(guān)，以防這些昂貴的功率晶體管熱擊穿和損壞。為實現(xiàn)最大效率，需要調(diào)整晶體管的柵極電壓。圖1所示為RF基站應(yīng)用。其中集成了外部電源、電流檢測放大器、隔離和微控制器。僅使用一片可編程模擬IC——MAX11300——偏置和檢測2級RFPA頻分雙工（FDD）和時分復(fù)用（TDD）。使用了Infineon？PTMA210152M15W、兩級PA，但也可使用任何相當(dāng)?shù)腜A。本例中，微控制器（或微處理器）與ADC及DAC持續(xù)通信，并使用多個查找表。MAX11300可快速實現(xiàn)測量內(nèi)部或外部溫度、更改DAC值所需的任何模擬功能，或者在200ns內(nèi)閉合開關(guān)，以防功率晶體管熱擊穿。現(xiàn)代化基站也需要功率管上的柵極負電壓，例如DAC可輸出負電壓。MAX11300提供多種負輸出電壓范圍（±5V或0至-10V）。圖1.參考設(shè)計（MAXREFDES39#）原理圖，偏置和監(jiān)測基站中的射頻功率放大器。為增加通用性，MAX11300配置為6個單端ADC、4個DAC、2個開關(guān)和2個通用輸出（GPO）。通過控制和監(jiān)測提高系統(tǒng)可靠性當(dāng)今的系統(tǒng)需要保證99.999%（或更高）時間的正常運行，有時也稱為5個9。這意味著系統(tǒng)幾乎保證時刻運行，無論是煉油廠、汽車生產(chǎn)線還是食品加工廠。所以，問題在于真實的系統(tǒng)可靠性。設(shè)計者必須第一時間知道特定的分立式元件是否工作異常，例如電阻、電感、電容或IC。在元件或IC失效之前，及時捕獲這些狀態(tài)，就能夠?qū)崿F(xiàn)更長的工作時間、更高的工廠產(chǎn)量、更高的系統(tǒng)可靠性，并取得最終用戶的歡心。圖2所示為詳細的常見控制和監(jiān)測（或系統(tǒng)輔助功能）診斷功能，確保系統(tǒng)的電源電壓和溫度均工作在最佳范圍。如果沒有這樣的診斷功能，產(chǎn)品可能在現(xiàn)場失效或發(fā)生間歇性故障。圖2.采用MAX11300可編程混合信號I/O器件的控制和監(jiān)測示例。本例監(jiān)測和控制一對外部電流檢測放大器、電位計、風(fēng)扇、溫度二極管，以及一對用于I2C時鐘和數(shù)據(jù)線的電平轉(zhuǎn)換器。從圖2中的左上部開始順時針方向，頂部的4個端口作為I2C接口的數(shù)字I/O。傳感器的5V時鐘（SCL）和數(shù)據(jù)線（SDA）被轉(zhuǎn)換至系統(tǒng)控制器的3.3V邏輯電平。時鐘信號為單向，數(shù)據(jù)線為雙向，可用于讀和寫操作。其中一個DAC用于編程產(chǎn)生至負載的模擬電壓輸出。本例中，選擇的是4–20mA輸出環(huán)路。其中一個ADC通道用于檢查DAC電壓是否符合預(yù)期。也在外部通過RS和MAX44285電流檢測放大器檢查電流。然后將MAX44285輸出反饋至另一個集成ADC。這就形成完整的控制環(huán)路。4個端口組成一對模擬開關(guān)和數(shù)字控制線。其下是類似的電流驅(qū)動和ADC配置，以測量和控制電流。本例中，DAC連接至晶體管，使用MAX44285雙通道放大器的第二個通道。圖2中左側(cè)為溫度傳感器和風(fēng)扇的溫度控制。在其上方，利用另一個ADC通道測量偏置在10V和地電勢之間的電位計。當(dāng)今的微控制器中也集成了MAX11300內(nèi)的部分功能電路。然而，許多客戶仍然使用多個分立式ADC、DAC、溫度傳感器和開關(guān)，因為他們不希望增加微控制器負擔(dān)。在這種情況下，客戶更希望微控制器連續(xù)執(zhí)行其處理程序，而不是花費任何時間周期執(zhí)行系統(tǒng)監(jiān)測功能。在此類應(yīng)用中，外部系統(tǒng)監(jiān)測IC可實現(xiàn)效率更高的系統(tǒng)。通用性強，但并不是靈丹妙藥MAX11300可編程模擬IC具有相當(dāng)大的設(shè)計靈活性，但我們需要客觀對待：器件并不能滿足所有應(yīng)用。由于ADC和DAC受限于12位，IC并不適合需要16或24位的儀器儀表或高精度電子秤。通常來說，12位DAC足以滿足4–20mA模擬控制環(huán)路，但有的設(shè)計者更喜歡使用16位。該可編程模擬芯片并不能代替模擬廠商的數(shù)以百計的放大器和開關(guān)，仍然需要輸入緩沖器和外部信號調(diào)理。在很多時候仍然需要外部多路復(fù)用器/開關(guān)，取決于信號鏈中復(fù)用器、放大器及ADC的配置。如果使用MAX11300的集成方法可滿足要求，那么輸入和輸出阻抗等技術(shù)指標(biāo)將起決定作用。確定這些設(shè)計決策正是模擬設(shè)計“魔法”的魅力所在?？偨Y(jié)硬件設(shè)計公司往往尋求在新應(yīng)用中重用已有設(shè)計。通過使用可編程模擬器件，設(shè)計者能夠使單種器件和可配置電路滿足多種不同的需求。同時，如果一種可編程模擬器件具備10至20種不同模擬元件的功能，硬件公司的采購團隊將不得不進行一番調(diào)研?？删幊棠M器件也意味著不一定非得是模擬專家才能進行系統(tǒng)設(shè)計?？蓪AX11300看做是FPGA、處理器和ASIC等復(fù)雜數(shù)字器件周圍的“模擬集中器”。結(jié)合可編程模擬能力與FPGA及