“可编程”模拟器件究竟怎么了?
我最近收到一封通过 LinkedIn 发来的电子邮件,询问我对 2001 年所写的一篇文章是否有所更新。哇!竟然还有人关注这篇文章!这篇文章主要围绕可编程模拟器件展开,研究了针对模拟信号链功能的不同设计理念。
我对如今的一般新闻报道相当不屑,原因之一就是缺乏后续报道(明明对逮捕进行了极富戏剧性的现场报道,却鲜少报道审判结果),而自那篇文章发布已近 20 年,我的确应该就此主题再作探讨。
首先,我们需要给出明确的定义。市面上现有许多可编程模拟 IC,用户可以使用引脚搭接、分立电阻或通过 I2C/SPI 端口驱动软件,以设置带宽或采样率等工作参数或功能。不过,这并非我所说的“可编程”。
相反,我所指的是现场可编程门阵列 (FPGA) 的模拟补充器件。FPGA 是由大量未指定门电路和功能组合而成的元器件。这些门电路和功能可根据需要互连以构建最终电路拓扑结构,从而实现极其复杂的数字系统;如今的 FPGA 往往具有 100 万多个门电路。毫无疑问,FPGA 已成为可编程器件的中坚力量,至于原因在此便不作赘述;而且新产品仍在不断推出。
图 1:Efinix 的 T4F81C FPGA 采用 SMIC 的 40 nm 工艺制造,1.1 V 时核心漏电流典型值小于150 µA。(图片来源:Efinix)
Efinix 最近推出了 T4F81C2 Trion™,这款 FPGA 采用 SMIC 的 40 nm 工艺制造,采用 81 球 BGA 封装(图 1)。
T4F81C 采用高密度、低功耗的 Efinix Quantum™ 架构,采用小型封装,提供 I/O 接口,主要面向要求低功耗、低成本和小尺寸的移动设备、消费类设备和物联网边缘设备市场。T4F81C 的亮点包括:
- 采用 SMIC 的 40 nm 工艺制造
- 1.1 V 时核心漏电流典型值小于 150 µA
- 提供高性能 I/O,支持 1.8 V、2.5 V 和 3.3 V 单端 I/O 标准和接口
- 提供灵活的片上时钟
- 具有标准 SPI 和 JTAG 接口等器件配置选择
随着技术不断发展,供应商不断推出新型 FPGA,以解决日趋多样化的需求和应用,可如今却鲜有可编程模拟器件面市。
貌似可取,那么……?
如此看来,或许也有必要推出类似具有大量未指定模拟功能的 IC。理论上,该器件可以为传感器接口、信号调节、滤波,甚至是主机处理器的 I/O 提供完整的模拟信号链(仅作为一个示例)。这种现场可编程模拟阵列 (FPAA) 甚至可以在 OEM 生产线上配置,以系列或家族的形式提供不同产品的所需功能,因此多种产品的 BOM 可以通用。此外,如果需要更改模拟链功能,即使不通过麻烦的线路板流片亦可实现,毕竟生产流片通常会耽搁时间且具有不确定性。
然而,事实却是工程设计界并不太关注这类可编程模拟器件。我于 2001 年文章中提及的供应商,有的倒闭,有的则被其他 IC 厂商收购。虽然这在业内属于正常现象,不必小题大做,但没有任何一家开发出占据市场主导地位的产品。在某种程度上,市面上仍有这类产品,只是相当低调。我鲜少听设计人员表示要选择可编程模拟器件作为信号链解决方案。
为何可编程模拟器件备受冷落?我认为,主要还是因为模拟电路不可避免的固有特性及其功能。例如,运算放大器和比较器等最基本的模拟器件,大多数供应商的产品组合中均提供了数十甚至数百种这类器件(请参见“令人头昏脑胀:为何会有如此多的运算放大器呢?”)。原因在于每种型号都需要通过设计、制造工艺和测试/微调来作调整,从而提供独特的性能属性组合。例如,一款运算放大器可能具有出色的低噪声性能,但相较于另一款噪声较高的同类产品,失调漂移则偏大。
关键在于多方权衡
设计人员必须评估权衡,决定必须争取和不得不妥协的性能,以便获得优先级较高的必要性能。不同的运算放大器,主要静态和动态特性组合有所不同:有的在一两种特性上表现卓越,而其他方面只是一般;有的则是在多数规格上整体表现“还不错”,可是单项性能可能并不很出色。那么,哪种更适合用于设计呢?
答案依然是“看情况”,取决于设计的优先考虑因素和利弊权衡。用于评估基本运算放大器的参数众多,例如速度、电压偏移、偏置电流、温度漂移、带宽、噪声、耗散、增益、驱动能力、电压范围等。简而言之,不胜枚举。
此外,若退一步纵观全局,就会发现与 FPGA 的数字世界不同,模拟信号链的功能模块通常相对较少,而且彼此之间差异很大。模拟模块的关键特性随信号位置不同而有所区别:传感器接口的特性必定与带通滤波器、驱动负载或处理器 I/O 的特性有所不同。
以 Analog Devices 的 AD5940 为例,这款特殊的 IC 可为化学实验室设备提供高精度阻抗和电化学前端(图 2)。AD5940 包含大量模拟和数字功能,但是模拟功能格外丰富,其规格均通过精心设计以兼容所支持的电化学传感器。
图 2:AD5940 的简化框图。(图片来源:Analog Devices)
该器件具有内部模数转换器 (ADC),甚至提供用于内部管理的微控制器,但最为敏感的设计仍属实验室恒电位仪的专用电极接口,包括偏置电流几乎为零的运算放大器和可编程增益放大器 (PGA)。而通用 FPAA 的模拟功能通常不需要敏感特性。
结语
尽管从理论上乍一看颇具吸引力,但事实却是通用模拟模块阵列无法满足许多应用的不同需求。这方面的妥协不可接受,即使在 BOM 复杂性、印刷电路板空间和其他设计因素方面有所获益,但也不足以弥补其损失。
对于大多数模拟设计,精心挑选一些(通常是不同的)最适合的 IC 用于信号链的各部分,才是更好的设计方法。好消息?信号链的各阶段均不乏不俗的选择。
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