Când se proiectează sisteme controlate cu procesor ce recepţionează semnale analogice, este necesar un lanţ de semnale analogice. Microchip Technology a creat o modalitate inovatoare de a realiza un control digital al acestui şir de semnale.
Pentru mulţi proiectanţi de sisteme embedded, microcontrolerul sau procesorul de semnal digital trebuie să proceseze mai multe semnale analogice pentru a finaliza o funcţie. Aceste semnale necesită adesea anumite forme de prelucrare, cum ar fi filtrare, buffering sau amplificare, înainte ca procesorul să convertească semnalul cu precizie. În final, această prelucrare va fi amplificarea semnalului la un nivel pe care sistemul îl poate utiliza.
Într-un proiect obişnuit, fiecare semnal este amplificat de un amplificator operaţional şi apoi conectat la procesor. Acest aranjament necesită un amplificator operaţional şi componenta suport, plus un pin I/O pe procesor, pentru fiecare semnal. De îndată ce sunt plasate componentele şi amplificatorul operaţional, amplificarea este fixată şi reglajele nu pot fi făcute uşor în timpul utilizării .
Figura 1 arată proiectul tradiţional pentru procesarea a opt semnale analogice. Acest sistem necesită opt amplificatoare operaţionale, opt pini I/O pe procesor, 16 rezistoare, plus spaţiul corespunzător pe placă. De asemenea, cele opt amplificatoare necesită o cantitate semnificativă de curent, o preocupare pentru proiectele cu consum de putere.
Această abordare poate fi costisitoare pentru sistemele care necesită lăţimi de bandă mai mari la care se adaugă amplificarea, zgomot redus şi/sau tensiune offset scăzută, deoarece opt amplificatoare operaţionale de înaltă performanţă sunt costisitoare.
În trecut, au fost folosite mai multe abordări pentru a încerca depăşirea dezavantajelor unui sistem tradiţional. Au fost folosite CAD-uri externe care interfaţează cu un bus serial pentru a administra toate semnalele fără a fi necesari aşa mulţi pini I/O pe procesor. Totuşi, aceasta nu face ca să fie depăşite toate celelalte dificultăţi menţionate mai sus.
Deoarece cele mai multe semnale nu trebuie să fie măsurate continuu în timp, pot fi folosite abordări de eşantionare ne-simultană. În aplicaţii pentru care sunt necesare amplificatoare operaţionale de înaltă performanţă, eşantioane ne-simultane îi permit proiectantului să folosească un amplificator operaţional, cu un MUX în front end interfaţând toate semnalele la acest amplificator. Multiplexorul este comutat la fiecare semnal ce necesită procesare.
Folosirea unui multiplexor reduce mult din problemele sistemelor tradiţionale. Cererea de pini I/O pentru procesor se reduce de la opt pini la unul singur. Numărul de componente este redus foarte mult, precum şi curentul cerut şi spaţiul plăcii. Acum, un amplificator de înaltă performanţă poate fi folosit pentru toate semnalele de interes.
Dezavantajul rămas al unui astfel de sistem este că toate semnalele vor avea aceeaşi câştig în amplificare. Adesea va fi un beneficiu varierea amplificării într-un sistem cu un singur semnal. Existând semnale multiple, nevoia de a varia amplificarea creşte.
Pentru a realiza aceasta, au fost folosite diverse tehnici de ajustare a amplificării, crescând costul şi complexitatea. Una dintre tehnici constă în adăugarea de comutatoare în traseul rezistorului de fixare a amplificării pentru a adăuga şi îndepărta rezistoare şi a regla astfel amplificarea. Această abordare este îmbunătăţită mai mult prin folosirea de blocuri de amplificare proiectate să fixeze cu precizie amplificarea pe un amplificator operaţional. Există chiar amplificatoare care au diferite tehnici pentru ca amplificarea lor să fie reglată de sistem.
Aceste abordări reprezintă o creştere semnificativă în numărul componentelor şi în cost. Chiar în cazul anumitor componente mai noi care par a fi mai ieftine, metoda de control nu este în sine potrivită cu sistemele de control embedded de astăzi. Aceste componente mai noi au interfeţe care solicită performanţe suplimentare în ceea ce priveşte liniile de I/O pe procesor pentru a controla amplificarea sau selectarea canalului.
Din aceste motive, Microchip Technology Inc. a dezvoltat familia de PGA-uri (Programmable Gain Amplifiers ) MCP6S21, MCP6S22, MCP6S26 şi MCP6S28 care sunt programate printr-o interfaţă SPI™. Ultima cifră din numărul de cod reprezintă numărul de canale pe care intrarea multiplexorului le poate administra, sau, în cazul MCP6S21, nu există multiplexor, ci numai un canal.
Problema procesării a opt semnale analogice este rezolvată cu un PGA MCP6S28, după cum se arată în figura 2. Portul SPI de pe procesor este pur şi simplu folosit pentru a emite o comandă la PGA pentru a selecta care semnal trebuie să fie conectat. În acelaşi mod, câştigul amplificatorului poate fi modificat, făcându-l capabil să modifice amplificarea pentru fiecare semnal şi chiar să modifice câştigul în timp ce semnalul este procesat. Dacă sistemul determină că semnalul este prea slab, procesorul poate creşte amplificarea. Când semnalul a atins un nivel mai ridicat, procesorul poate reduce amplificarea.
Aceste PGA-uri oferă opt nivele diferite de amplificare: 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 şi 32V/V. Deoarece amplificarea este modificată, lăţimea benzii de -3dB variază de la valoarea tipică de 2MHz la 12MHz. Pentru un amplificator operaţional cu un câştig de 1V/V şi lăţimea benzii -3dB de circa 12MHz , curentul de alimentare tipic de 1,1mA este chiar scăzut. Dar, spre deosebire de un amplificator operaţional, acest nivel este menţinut chiar dacă produsul câştig-lăţime de bandă al amplificatorului creşte.
De exemplu, la o amplificare tipică de 16V/V, lăţimea benzii -3dB pentru familia PGA este de circa 5MHz. Pentru a realiza aceasta într-un amplificator operaţional tradiţional va fi necesar un produs amplificare-lăţime bandă de 90MHz. În plus la elementele de stabilitate ce înconjoară un amplificator operaţional cu un produs amplificare-lăţime atât de mare, curentul cerut va fi de multe ori mai mare decât 1,1mA.
O economie de curent suplimentară este obţinută printr-o comandă “shutdown”. Când procesorul nu necesită un PGA, o comandă poate fi emisă la oprire, reducând curentul tipic de alimentare la 1µA. Oprirea software combinată cu auto-compensarea face ca aceste dispozitive să fie adecvate în mod particular aplicaţiilor cu baterii ce necesită lăţimi de bandă mai mari.
Aceste dispozitive PGA oferă o precizie a amplificării a fiecărui pas de amplificare mai mică de 1%, ceea ce va necesita rezistoare de precizie într-un proiect tradiţional. Tensiunea offset este mai mică de 275µV şi densitatea zgomotului este mai mică de 10nV/rtHz.
Prin oferirea unui control digital mai mare asupra lanţului de semnale analogice, aceste dispozitive vor permite proiectanţilor să creeze sisteme care sunt mai capabile să funcţioneze în condiţii care se schimbă. Prin trecerea de la auto-calibrarea sistemelor la auto-ajustarea lor, proiectele anterioare complexe sunt simplificate prin reducerea multor dispozitive la unul singur, plus un anumit software suplimentar.
de Arthur Eck, Microchip Technology