利用一顆可編程模擬IC取代數(shù)十顆芯片

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(jì)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(shí)，您需要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行評(píng)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(hào)以及執(zhí)行附加審核和運(yùn)作。所有這些時(shí)間、勞力以及庫存空間加起來，維持一種新IC所需的費(fèi)用通常在大約$600至$800/年。

一般普遍認(rèn)為，您可重用的設(shè)計(jì)越多，上市時(shí)間就越快;同時(shí)也將把成本、風(fēng)險(xiǎn)以及設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)者的好處。我們希望——好處多多!

有效的重用設(shè)計(jì)最大程度縮短上市時(shí)間

作為IC系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，您會(huì)將什么放在理想的可編程模擬器件中?首先從20個(gè)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(shí)際好處?

考慮以下情況。許多時(shí)候，設(shè)計(jì)者仍然需要低于地電勢(shì)的電壓以及真正的雙極性能力?？赡苁怯糜趥鹘y(tǒng)的-10V工業(yè)信號(hào)，或者為了保留一定裕量,將放大器的負(fù)電源偏置到略低于地電勢(shì)。或者用于傳感器略微為負(fù)的電壓。利用MAX11300可編程模擬IC，ADC和DAC提供真正的12位精度(±1LSB DNL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(hào)IC設(shè)計(jì)為單極性輸入和輸出，一般為地電勢(shì)(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(jí)至新微控制器實(shí)際應(yīng)用中的射頻而需要3.3V至1.8V電平轉(zhuǎn)換器?完全搞定。需要差分輸入ADC來測(cè)量檢流電阻?可編程模擬器件也完全支持。

功率放大器(PA)控制

當(dāng)今的電子系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)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(gè)ADC、DAC以及模擬開關(guān)來動(dòng)態(tài)實(shí)施系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

檢測(cè)電阻兩端的高性能ADC能夠高精度測(cè)量功率晶體管的柵-源電壓以及通過的電流。也需要測(cè)量功率晶體管的溫度，以確保未發(fā)生過熱。晶體管過熱時(shí)，需要快速連接對(duì)地開關(guān)，以防這些昂貴的功率晶體管熱擊穿和損壞。為實(shí)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(cè)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(cè)2級(jí)RF PA頻分雙工(FDD)和時(shí)分復(fù)用(TDD)。使用了Infineon? PTMA210152M 15W、兩級(jí)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(gè)查找表。MAX11300可快速實(shí)現(xiàn)測(cè)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(fù)電壓，例如DAC可輸出負(fù)電壓。MAX11300提供多種負(fù)輸出電壓范圍(±5V或0至-10V)。

圖1.參考設(shè)計(jì)(MAXREFDES39#)原理圖，偏置和監(jiān)測(cè)基站中的射頻功率放大器。為增加通用性，MAX11300配置為6個(gè)單端ADC、4個(gè)DAC、2個(gè)開關(guān)和2個(gè)通用輸出(GPO)。

通過控制和監(jiān)測(cè)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(shí)間的正常運(yùn)行，有時(shí)也稱為5個(gè)9。這意味著系統(tǒng)幾乎保證時(shí)刻運(yùn)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(shí)的系統(tǒng)可靠性。設(shè)計(jì)者必須第一時(shí)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(shí)捕獲這些狀態(tài)，就能夠?qū)崿F(xiàn)更長的工作時(shí)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(xì)的常見控制和監(jiān)測(cè)(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(chǎng)失效或發(fā)生間歇性故障。

圖2.采用MAX11300可編程混合信號(hào)I/O器件的控制和監(jiān)測(cè)示例。本例監(jiān)測(cè)和控制一對(duì)外部電流檢測(cè)放大器、電位計(jì)、風(fēng)扇、溫度二極管，以及一對(duì)用于I2C時(shí)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(shí)針方向，頂部的4個(gè)端口作為I2C接口的數(shù)字I/O。傳感器的5V時(shí)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(shí)鐘信號(hào)為單向，數(shù)據(jù)線為雙向，可用于讀和寫操作。

其中一個(gè)DAC用于編程產(chǎn)生至負(fù)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(gè)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(cè)放大器檢查電流。然后將MAX44285輸出反饋至另一個(gè)集成ADC。這就形成完整的控制環(huán)路。

4個(gè)端口組成一對(duì)模擬開關(guān)和數(shù)字控制線。其下是類似的電流驅(qū)動(dòng)和ADC配置，以測(cè)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(gè)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(gè)ADC通道測(cè)量偏置在10V和地電勢(shì)之間的電位計(jì)。

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(gè)分立式ADC、DAC、溫度傳感器和開關(guān)，因?yàn)樗麄儾幌Ｍ黾游⒖刂破髫?fù)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(fèi)任何時(shí)間周期執(zhí)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能。在此類應(yīng)用中，外部系統(tǒng)監(jiān)測(cè)IC可實(shí)現(xiàn)效率更高的系統(tǒng)。

通用性強(qiáng)，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(jì)靈活性，但我們需要客觀對(duì)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(jì)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(jì)的放大器和開關(guān)，仍然需要輸入緩沖器和外部信號(hào)調(diào)理。在很多時(shí)候仍然需要外部多路復(fù)用器/開關(guān)，取決于信號(hào)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(jì)決策正是模擬設(shè)計(jì)“魔法”的魅力所在。

總結(jié)

硬件設(shè)計(jì)公司往往尋求在新應(yīng)用中重用已有設(shè)計(jì)。通過使用可編程模擬器件，設(shè)計(jì)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(shí)，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(tuán)隊(duì)將不得不進(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？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及處理器的靈活性，可大幅擴(kuò)展系統(tǒng)的使用范圍。

可編程模擬器件并不能代替所有模擬功能，但MAX11300的拖曳式GUI能夠快速配置IC，將全部20個(gè)端口保存至位流，可從FPGA、微控制器或處理器快速裝載。這就為設(shè)計(jì)者節(jié)省大量電路板空間和成本，增加了系統(tǒng)輔助功能、控制和測(cè)量、功率放大器控制環(huán)路等應(yīng)用的靈活性和配置能力。