Проектирование аналоговых схем, несомненно, является «черной магией», а их сочетание с цифровыми компонентами — очень сложный процесс в современных смешанных схемах. Однако, следует отметить, что в последнее время этот процесс значительно упростился. Одним из главных факторов, облегчивших и ускоривших процесс разработки, стало повышение уровня сложности рабочего процесса проектирования смешанных схем с помощью инструментов EDA. Эти инструменты теперь позволяют инженерам проектировать и моделировать как аналоговую, так и цифровую электронику в смешанных схемах, одновременно выполняя код на языке C. Ранее существовала различная степень разделения между проектированием и моделированием аналоговых и цифровых схем; при их объединении на одном чипе проект мог работать не идеально с первого раза. Теперь, благодаря этим новым передовым инструментам проектирования, процесс стал практически мгновенным, вместо многонедельного процесса разработки. А если ко всему этому добавить растущую коммерческую доступность аналоговых IP-блоков, наряду с цифровыми библиотеками, то в результате для любого поставщика аналоговых или смешанных сигнальных микросхем стало намного проще и гибче получать быстрые и эффективные проекты, что еще несколько лет назад было просто невозможно, и уж точно не для тех, кто не обладал огромным опытом в этой области.
Возможности встроенной обработки:
Эти передовые возможности проектирования значительно упрощают встраивание цифрового процессора в аналоговую или смешанную схему. Например, включение 32-битного процессорного ядра Cortex-M0 в схему не представляет собой существенного недостатка. Ядро реализует не менее 12 000 логических элементов, и поэтому его размер практически незначителен по сравнению с окружающей аналоговой электроникой — возможно, в 10 раз — и, следовательно, дополнительные затраты из-за большей площади полупроводника невелики.
Включение цифровой подсистемы также обеспечивает более широкие возможности тестирования устройств, что представляет собой значительное преимущество, ранее не выявленное. Цифровой процессор становится гибким инструментом, который можно использовать для выполнения всех видов внутрикристального тестирования и калибровки в системах на кристалле со смешанными сигналами (SoC), что облегчает проверку аналоговой электроники. Еще одним преимуществом является более высокая степень интеграции системы и, следовательно, более низкая общая стоимость системы. Чаще всего в специализированных проектах используется автономный микроконтроллер наряду с аналоговым или смешанным сигнальным чипом. В настоящее время поставщик аналоговых чипов находится в гораздо более выгодном положении, чтобы предложить более высокий уровень интеграции. Конечно, это не всегда так; например, некоторые поставщики могут предпочитать использовать цифровой процессор для внутрикристального тестирования, а не предоставлять его клиентам для разработки функций. Однако в целом это представляет собой очень четкое ценностное предложение для поставщика аналоговых чипов. С другой стороны, крупные поставщики цифровых схем стремятся расширить свой каталог цифровых процессоров за счет аналоговых компонентов.
Повышение энергоэффективности системы:
Хотя это новое поколение устройств со смешанными сигналами способно удовлетворить требования Интернета вещей, ключевым моментом является то, что встроенный цифровой процессор значительно повышает эффективность и производительность системы в целом, что представляет собой огромную экономию энергии.
Что может сделать цифровая электроника для улучшения характеристик аналоговых компонентов с целью снижения энергопотребления системы? Конкретный и очень важный пример — управление двигателями, где очевидно, что силовая электроника и аналоговая электроника играют решающую роль. Цифровой процессор может значительно улучшить управление скоростью и/или вращением двигателя, обеспечивая потенциальную экономию энергии примерно на 40%. При этом в данном примере речь идёт о крупных двигателях промышленного назначения, а не обязательно о недорогих изделиях, таких как игрушки. Цифровые технологии не заменяют и не исключают аналоговую часть; они просто позволяют цифровому управлению улучшить общее качество системы.
Таким образом, благодаря этим расширенным функциям, а также более широким возможностям интеграции и более высокому уровню функциональности на кристалле, окупаемость инвестиций может быть очень быстрой при использовании небольшого, но мощного цифрового процессорного ядра. Подтверждением этому служит появление на рынке аналоговых и смешанных сигнальных устройств со встроенными возможностями цифровой обработки. Одним из примеров является смешанный сигнальный процессор ADSP-CMX40X от Analog Devices, который включает в себя процессор Cortex-M4 и позволяет разработчикам приводов двигателей добавлять больше функций в микросхему. Устройство специально предназначено для энергоэффективных приложений на промышленных рынках и разработано для обеспечения более точного управления двигателями в приводах двигателей, фотоэлектрических инверторах и системах сервоуправления с обратной связью. Вторым примером является семейство XMC4000 от Infineon, также со встроенным процессором Cortex-M4. Это устройство также направлено на повышение энергоэффективности в промышленных приложениях. Третий пример — лицензия компании Dialog Semiconductor на процессор Cortex-M0, который компания планирует использовать в качестве контроллера в ряде микросхем управления питанием для контроля, питания и управления батареями в смартфонах и планшетах.
В перспективе,
через несколько лет, а то и раньше, вероятно, подавляющее большинство, или по крайней мере значительная часть, аналоговых и смешанных микросхем будет включать в себя высокопроизводительную цифровую подсистему обработки для управления и контроля, а также позволит разработчикам добавлять собственный программный код. Основными областями применения, как ожидается, станут управление двигателями и силовая электроника, а в настоящее время подавляющее большинство этих приложений по сути являются «простыми». Добавление цифрового интеллекта потенциально может привести к огромной экономии энергии в случае электродвигателей. Согласно последним оценкам, электродвигатели потребляют 40% всей мировой электроэнергии, и значительная часть этого потребления приходится на промышленные приводы. Таким образом, минимальная цифровая обработка аналогового компонента может значительно уменьшить требуемое пространство, что приведет к экологическим и экономическим преимуществам.
В ближайшие несколько лет, по мере того как Интернет вещей становится реальностью и растет спрос на снижение энергопотребления, ожидается, что модель следующего поколения сложных аналоговых и смешанных схем будет сочетать аналоговую электронику на периферии для считывания и управления с цифровой электроникой в ядре для управления, принятия решений и связи. Высокоинтегрированная, управляемая цифровым способом аналоговая система на кристалле (SO-chip), способная сэкономить до 40% энергопотребления промышленного двигателя, независимо от того, поставляется ли она от поставщика аналоговых или цифровых полупроводников, является чрезвычайно перспективной технологией, которая в ближайшем будущем будет пользоваться высоким спросом.
Автор:
Ричард Йорк был назначен директором по продуктам для встраиваемых процессоров в декабре 2007 года. Ричард отвечает за маркетинг встраиваемых продуктов ARM и микроконтроллеров, включая серии процессоров Cortex-M и Cortex-R. Он также отвечает за разработку стратегии развития встраиваемых продуктов и других продуктов, входящих в экосистему.
Ричард также тесно сотрудничает с лицензиатами и их клиентами в качестве консультанта по разработке продуктов и рыночным тенденциям. Ричард присоединился к ARM в 1994 году и принимал активное участие в разработке первых процессоров ARM, прежде чем перейти в отдел маркетинга в 2000 году.
