Chip-urile care includeau atât elemente analogice cât şi digitale aveau funcţii precum timere interne, comparatoare, şi porţi de intrare/ieşire ce operau sub un control firmware. Funcţiile analogice care pot fi uşor realizate într-un mediu digital includ convertoare D/A, convertoare A/D şi integratoare. Implementarea acestor funcţii a fost – cinstit vorbind – primitivă astfel că performanţa a avut de suferit, dar totuşi, funcţionau destul de bine în anumite aplicaţii în care precizia şi fidelitatea funcţiilor analogice de înaltă precizie nu era necesară.
Acum însă, proiectanţii încep să reclame şi doresc eliminarea acestor deficienţe. Definiţia precum că precizia analogică nu poate co-exista în acelaşi circuit integrat cu procesoare sau controlere digitale începe să se schimbe din ce în ce mai mult. Crearea funcţiilor analogice de precizie care să lucreze foarte bine cu microprocesoare sau microcontrolere impune trei schimbări care ne aduc foarte aproape de soluţia SoC – System on Chip.
Cea mai importantă schimbare este trecerea de la procesul de fabricaţie al circuitelor bipolare la cel al circuitelor CMOS. Astăzi, multe circuite analogice migrează de la procesul tehnologic bipolar către lumea CMOS. În acelaşi timp, performanţa acestor dispozitive CMOS este îmbunătăţită. De exemplu, amplificatoarele operaţionale care au fost proiectate în tehnologia CMOS au rejecţia de mod comun sub-substandard, rejecţie sursă de putere şi tensiune de offset. Acum, aceste specificaţii au fost îmbunătăţite la un nivel mult mai acceptabil. Convertoarele SAR A/D au migrat de la topologia în scară R-2R la un aranjament de tip arie capacitivă de intrare. Aceasta a redus dimensiunea pastilei de siliciu şi a îndreptat acţiunea către procesul CMOS. O mare parte din pastila de siliciu a unui convertor A/D Delta-Sigma ce era dedicată circuitelor digitale a fost întotdeauna proiectată în procesele CMOS. Acest dispozitiv de înaltă precizie este un candidat perfect pentru chip-ul de tip controler sau procesor. În conjuncţie cu această migraţie a funcţiilor analogice de la procesul bipolar la CMOS, tehnologia CMOS devine din ce în ce mai compactă, iar proiectanţii de circuite integrate vor continua să aducă multe îmbunătăţiri proiectelor lor.
O altă caracteristică de genul “controler-prietenoasă” este aceea de dispozitiv analogic programabil. Aceasta nu este definiţia clasică de programabilitate a unui circuit analogic, unde un rezistor este schimbat în partea hardware. În locul acesteia, este “adusă” on-chip o memorie volatilă sau ne-volatilă. Odată cu această schimbare, rezistorul nichel-crom şi reţelele analogice zener-zapping sunt abandonate în favoarea celulelor digitale de RAM, EPROM sau EEPROM. Datele digitale ce conţin “Schimbările permanente” pot fi “arse” într-o memorie ne-volatilă în decursul ultimei etape din cadrul procesului de fabricaţie. Aceasta reduce costurile generale datorate echipamentului laser-trim şi pierderile de producţie din timpul prelucrării măştii.
Alternativ, schimbările pot fi implementate “din mers” (cu ajutorul memoriei volatile) în timpul operării sistemului, producând un dispozitiv care lucrează într-un foarte mare număr de aplicaţii.
A treia şi cea mai critică schimbare o găsim la acele companii specializate în circuite digitale care încep acum să includă conţinut analogic în liniile lor de producţie digitale. La prima vedere, această migraţie nu pare să fie aşa de dificilă. Oricum, atunci când se ţine cont de diferenţele dintre disciplinele “analogic” şi “digital”, există un curent important de re-aşezare a ambelor părţi.
Adăugarea unui amplificator standard într-un circuit digital este ilustrată în figura 1. În zilele dinaintea utilizării memoriei digitale în circuitele analogice, amplificatorul operaţional era proiectat în hardware cu o singură lărgime de bandă, un curent de linişte şi o tensiune de offset. Deşi amplificatorul operaţional este văzut ca fiind potrivit pentru aplicaţii destul de variate, rigiditatea acestor specificaţii bloca un singur amplificator într-un număr limitat de aplicaţii. Acum că amplificatorul operaţional este realizat în procesul CMOS “single-supply”, aceste funcţii pot fi manipulate dintr-o singură acţiune prin programare firmware.
Figura 1 prezintă de asemenea inventivitatea care începe să fie aplicată în proiectele de astăzi. Acesta este un simplu exemplu al unui amplificator operaţional care utilizează procesul CMOS în conjuncţie cu switch-urile EEPROM ne-volatile. Aceste comutatoare sunt folosite în sarcinile active de pe intrările diferenţiale ale amplificatorului. Tensiunea de offset a amplificatorului este reglată cu ajutorul comutatoarelor care comandă curentul dintr-o parte în cealaltă a perechii de intrări diferenţiale. Comutatoarele pot fi accesate electric într-un test-mod din timpul testului final. Aceast mod de abordare aduce rezultate foarte bune, specificaţii mai strânse şi programabilitate on-line.
Până acum, apropierea analogică a schimbat aceşti curenţi prin ajustarea sarcinii folosind procedee de netezire de tip “nichrome laser” sau “zener-zapping”. Aceste procese analogice pot strica pasivizarea suprafeţei pastilei de siliciu şi nu acţionează în aceeaşi direcţie cu procesul digital CMOS. Comutatoarele EPROM nu compromit integritatea chip-ului. Fiabilitatea lor este reuşită datorită aportului multor ani de lucru şi experienţă cu dispozitivele de memorie şi cu procesoarele şi controlerele integrate. Aceste tipuri de comutatoare sunt de asemenea folosite la implementarea lărgimii de bandă a amplificatorului sau modificării curentului de linişte ca să numim doar câteva exemple.
Chiar dacă lumea se îndreaptă către soluţiile digitale, este important pentru circuitele digitale complexe să co-existe cu funcţiile analogice de înaltă performanţă. Unul din principalele avantaje ale unui dispozitiv digital a fost versatilitatea sa; cu o simplă ajustare a codului s-au creat diferenţe majore în piaţă. Acum începem să vedem circuitele analogice că oferă aceleaşi beneficii. Aceste dispozitive trebuie să fie economice, eficiente, compacte şi disponibile pentru aplicaţii multiple. Istoric vorbind, microcontrolerele şi microprocesoarele au deservit piaţa pe orizontală în timp ce dispozitivele analogice au alimentat-o pe cea verticală. Aceste două domenii sunt pregătite să meargă împreună datorită puterii programabilităţii digitale. Comanda circuitelor analogice în procesele CMOS începe să devină foarte atrăgătoare. Combinaţia dintre excelenţa părţii analogice şi memoria digitală a mers lent deoarece capsulele analogice nu au avut capabilităţi de memorie în arsenalul lor, iar capsulele digitale nu au avut experienţa analogică necesară. Aceste noi capsule hibride au aceleaşi funcţii precum circuitele analogice precedente, dar acum ele sunt proiectate în acelaşi proces precum circuitele digitale. Cu aceste schimbări, ideea System-on-Chip pare mai atractivă. Singurul lucru care lipseşte este de a determina care funcţii analogice sunt necesare şi când se vor putea afla sub acelaşi acoperiş.
de Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.
www.microchip.com