Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 18 августа
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Повышение линейности и эффективности РЧ-усилителей

В статье изложены различные методы линеаризации РЧ-усилителей, приведены электрические схемы и диаграммы. Рассмотрено влияние на линейность усилителей температурных режимов и напряжения питания, даны практические рекомендации.

Шумы в электрических схемах с операционными усилителями

В статье даны основные сведения о шумах в электрических схемах. Приведены расчетные соотношения для разных схем включения операционных усилителей, позволяющие вычислить величину шумов.

Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в сигнальном тракте. Часть 2

В Части 1 этой статьи (см. ЭК2) рассматривался вопрос о том, как с помощью известного метода следящей обратной связи удалить смещение постоянной составляющей в усилителе постоянного тока. В Части 2 рассматривается практический пример реализации метода следящей обратной связи, производится доработка базовой архитектуры и обобщается ее использование в ВЧ-фильтрах более высокого порядка.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

9 апреля

Создание аналоговой системы с помощью программируемых кристаллов

Конфигурируемые аналоговые ИС многие годы присутствуют на рынке, но спрос на них меньше, чем на ПЛИС. Однако нынешняя экономическая ситуация внезапно сделала концепцию программируемых стандартных аналоговых устройств достаточно привлекательной. Но каким методом воспользоваться для проектирования этих кристаллов? Годится ли традиционная интуитивно-понятная технология моделирования аналоговых ИС, основу которой составляет верификация макета? Статья пытается дать ответ на этот сложный вопрос. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].



Разнообразие архитектур

Одной из причин неоднозначности ответа является широкий диапазон архитектур программируемых аналоговых систем. В одном конце этого диапазона находятся функционально-ориентированные кристаллы, степень конфигурируемости которых определяется пользователем; при этом их основная функция остается неизменной. На другом конце находятся аналоговые кристаллы, сходные с ПЛИС и представляющие собой большие массивы малых неспециализированных функциональных блоков. Эти два противоположных конца диапазона различаются структурно и функционально, поэтому требования к каждому из них разные.

Рассмотрим два примера. С одной стороны, обратимся к семейству программируемых контроллеров мощности компании Lattice Semiconductor (см. рис. 1). Данные многофункциональные микросхемы управляют не только последовательностью операций, но и согласованием нескольких источников питания на печатной плате (ПП). Это простые программируемые логические устройства (ПЛУ), в состав которых также входят прецизионные АЦП, мониторы с программируемым порогом и ЦАП для обнаружения выходного напряжения питания и точной подстройки напряжений для контура обратной связи источников питания.

Рис. 1. Контроллер 1220AT8 компании Lattice для контроля источников питания на плате

С другой стороны, рассмотрим FPAA (field-programmable analog arrays — программируемая матрица аналоговых элементов) компании Anadigm. По сути, эти устройства представляют собой нескоммутированные матрицы логических элементов для сборки цепей обработки аналогового сигнала с переключаемыми конденсаторами. Целью программирования в FPAA является не только установка параметров схемы, но и создание ее топологии. Понятие «программируемость» в данном случае имеет два значения. Разумеется, методы, используемые при работе с FPAA, также различаются.

Различие метафор

Разработчики кристаллов стремятся скрыть структуру программируемых микросхем от пользователей, заменив ее метафорой для визуализации архитектуры. Они полагают, что эта визуализация окажется не только более знакомой пользователям, но и уместной для решения той или иной задачи. Метафоры изменяются в зависимости от структуры кристалла и представления поставщика микросхем о стоящих перед потребителями задачах. Например, на заре развития цифровых ПЛИС поставщики представляли внутренние части структуры ПЛИС в виде наборов затворов NAND, управляющих входными сигналами больших затворов NOR, в соответствии с принятым в то время стандартным способом выражения логических функций в виде минтермов.

Компания Lattice, например, описывает свои микросхемы контроллеров мощности в терминах устанавливаемых на кристалле компонентов: цифровой и аналоговый выходы, ограничительные компараторы, АЦП, программируемая логическая матрица и ряд АЦП. Напротив, компания Anadigm не рассматривает свои кристаллы как совокупность конденсаторов, настраиваемых усилителей, многозвенных схем или программируемых аналоговых коммутаторов, прибегая к описанию аналоговых функциональных блоков — операционных усилителей, фильтров и т.д. В то же время, если устройство становится компонентом большого проекта, компания предлагает пользователю рассматривать кристалл как многофункциональный черный ящик или черный ящик с заданной функцией безотносительно его содержания.

Вообще говоря, чем специфичнее функция программируемого аналогового кристалла, тем точнее представляемая метафора. Однако если программируемая архитектура достаточно гибкая, поставщик выбирает один из двух подходов: настолько же независимую от приложения метафору, что и лежащая в ее основе архитектура, — например, таблицы соединений Verilog-A или Spice, либо метафору, которая скрывает программируемую архитектуру, представляя ее в виде параметризованного кристалла с фиксированным назначением. Значение метафоры заключается в том, что она — а не лежащая в ее основе кремниевая архитектура — определяет метод проектирования, который выбирает пользователь. Это обстоятельство иллюстрируют конкретные примеры.

Несколько примеров

Шьям Чандра (Shyam Chandra), менеджер сбыта, компания Lattice Semiconductor, считает, что для управления сигналами сброса, синхронизации сторожевого таймера и подобных функций инженеры до сих пор используют дискретные кристаллы. Lattice выбрала метафору программирования, схожую с методом использования разработчиками небольшого количества миниатюрных кристаллов с фиксированным назначением.

Для составления технического задания на разработку потребители продукции Lattice просматривают спецификации на процессоры, память, ПЛИС и другие устройства на платах, чтобы определить требуемую последовательность увеличения мощности для каждого кристалла. Объединение этих последовательностей позволяет создать полную диаграмму состояния логики контроллера. Эта задача выполняется вручную. Около 75% времени, затраченного на первый проход, пропадает впустую. Lattice предлагает простой язык программирования и средство моделирования сигнала, с помощью которых кодируется последовательность и отслеживается ход выполнения этой операции без опасения что-то нарушить.

Завершив кодирование последовательности, средство конфигурирует управление кристаллом таким образом, чтобы можно было управлять сигналами сброса и затворами МОП-транзисторов, которые задают последовательность питания на плате. Аналогично, обеспечивается вспомогательное средство подстройки и контроля границ кристалла. Используя библиотеку известных компонентов DC/DC-преобразователей, программное обеспечение собирает информацию пользователя о границах кристалла, требования по напряжению и устанавливает встроенные компараторы и ЦАП, а также значения резисторов как для отслеживания выходных сигналов преобразователя, так и для регулировки входных сигналов.

Понятие стандартной метафоры устройства далеко выходит за рамки представления об управлении питанием. Компания Actel предлагает конфигурируемые блоки AFE (analog front end — аналоговые внешние интерфейсные аппаратные средства) семейства ПЛИС под маркой Fusion. Эта компания поддерживает конфигурацию своих программируемых аналоговых блоков, но также скептично оценивает потребность пользователя моделировать на уровне платы.

Эта компания предоставляет на уровне ИС средство генерации аналогового сигнала, который после прохождения через модуль АЦП преобразуется в цифровой сигнал, использующийся в симуляции логики ПЛИС с помощью системы ModelSim компании Mentor Graphics. Однако топология блоков AFE достаточно жесткая. По мнению Нагела, пользователи зачастую преждевременно стремятся определить потребности системы в разрешении, частоте выборки и т.д. — поначалу следует сконфигурировать AFE-блоки, а затем их использовать. Можно запросить аналоговые узлы в блоках AFE и анализировать цифровые сигналы в той части кристалла, где находится ПЛИС, с помощью встроенного логического анализатора САПР Synplicity. Таким образом, разработчики, как правило, не анализируют блоки AFE с помощью средств моделирования, ограничиваясь симуляцией цифровой логики.

Еще один взгляд на решение этого вопроса предлагает компания Cypress Semiconductor, чьи программируемые СнК (programmable systems on chips, pSOC) имеют относительно хорошо конфигурируемый массив аналоговых компонентов, тесно связанный с массивом цифровых стандартных блоков и ядром микроконтроллера (см. рис. 2). Стандартное назначение архитектуры Cypress отражает метафору языка высокого уровня и маршрут проектирования «синтез-моделирование».

Рис. 2. В состав СнК компании Cypress входит микроконтроллер с программируемой матрицей цифро-аналоговых блоков

Однако эта компания выбрала другое направление. Джейсон Бомбах (Jason Baumbach), инженер по применению Cypress Semiconductor, считает, что метафорой является каталог компонентов, а не программируемая матрица аналоговых элементов. Разработчику не поможет список тысяч конфигурационных регистров, поэтому Cypress предлагает каталог пользовательских модулей — конфигурируемых частей аналогового массива на кристалле. Для пользователя они представляют собой стандартные аналоговые компоненты. Разработчик составляет схему аналоговой части своего проекта с помощью данных модулей и переходит от этой схемы к монтажной плате с помощью макета программируемой СнК компании Cypress. По мнению Бомбаха, лишь немногие инженеры пользуются Spice или Matlab. По большей части, все те операции, которые они выполняют в аналоговой цепи, достаточно просты.

Другие взгляды

Большинство других компаний не предоставляет пользователям средство симуляции на уровне платы, позволяющее понять, как их кристаллы работают с другими цепями на плате или как аналоговые и цифровые части кристалла функционируют друг с другом. Этой цели служит та информация, с которой разработчик может ознакомиться в техническом описании. Однако Cypress эволюционирует в другом направлении. Аналоговые блоки программируемых СнК становятся все более значимыми, и заказчики все чаще пользуются возможностью встроенного микроконтроллера реконфигурировать аналоговый массив «на лету». Это полезная возможность, но при таком подходе пренебрегается метафора, основанная на обращении к каталогу компонентов. Устройства становятся все более мощными, поэтому требуется в большей мере использовать абстракции.

Напротив, компания Austriamicrosystems AG экспериментирует с более широким подходом к симуляции для относительно простых кристаллов. Брюс Ульрих (Bruce Ulrich), директор сбыта компании, считает, что существуют два типа инженеров: пуристов, которые пренебрегают симуляцией, и тех разработчиков, которые не считают себя знатоками и пользуются инструментом, позволяющим экспериментировать.

Austriamicrosystems поместила на своей домашней странице версию библиотеки линейной симуляции WebSim компании Transim Technology. На этой странице находятся модели силовых ИС, инструмент сбора таблиц соединений, аппаратная модель и инструмент генерации списка комплектующих. Пользователи имеют возможность создать макет силовой подсистемы, изучить ее параметры и эксплуатационные характеристики, а также получить список компонентов. Ульрих подчеркивает, что достигаемая при этом точность меньше, чем реализуемая с помощью Spice, т.к. это всего лишь линейная аппроксимация. Однако полученная модель достаточно хорошо показывает, как поведет себя цепь в реальных условиях, и предостерегает разработчика от ошибок коммутации, проблем с шумом или с неустойчивостью. Недавно компания установила это средство на свой сайт; планируется, что со временем библиотека моделей расширится, и пользователи получат возможность анализировать работу других компонентов продуктовой номенклатуры компании.

Иначе обстоят дела у компании Triad Semiconductor. Как и Cypress, эта компания производит кристаллы, в состав которых входит программируемая матрица аналоговых элементов и микроконтроллер (см. рис. 3). В этом случае, однако, метод программирования реализован в виде программируемых изготовителем межслойных соединений, а не программируемых при эксплуатации флэш-ячеек. Большинство пользователей, по мнению Рейда Уэндера (Reid Wender), вице-президента по сбыту Triad, начинает не с симуляции, а с макетирования проектов с помощью стандартных дискретных аналоговых компонентов для трактов аналогового сигнала и ПЛИС для цифровой логики и ядра ARM Cortex M0. Они обращаются в компанию за специализированными ИС (ASIC).

Рис. 3. Метод межслойных соединений, программируемых компанией Triad

Заказчик передает макетную плату инженерам Triad для преобразования трактов аналогового сигнала в заказной ИС. Затем инженеры с помощью средства симуляции на уровне кристалла конфигурируют матрицу аналоговых элементов, чтобы согласовать передаточные функции этой платы. Triad сообщает результаты симуляции заказчику, устанавливает маску межсоединений и конфигурирует многослойные кремниевые пластины около месяца. Установив кристалл Triad в макетную плату, заказчик приступает к верификации. Наиболее трудным этапом такой технологии является анализ сопряжения трактов обработки аналогового сигнала с программным обеспечением ядра Cortex. Triad пользуется средствами компании Keil для симуляции цифро-аналоговых периферийных устройств, однако Уэндер считает, что необходимо создать полноценный симулятор аналоговых и смешанных сигналов — тот инструмент, который объединил бы в себе Verilog, Spice и программное моделирование при низкой цене.

Перспективы

О перспективах развития программируемых матриц аналоговых элементов рассказывает Пол Хэслер (Paul Hasler), профессор электротехники и информатики из Технологического института Джорджии, который уже 10 лет работает над проектом FPAA. Этот проект связан с созданием больших матриц примерно из 1000 аналоговых компонентов и тысяч устройств на уровне переключателей, составленных в 100 вычислительных аналоговых блоков. Хэслер утверждает, что такие кристаллы, возможно, в 10 раз превысят емкость существующих FPAA для коммерческого применения при скорости обработки аналогового сигнала 1 трлн команд умножения с накоплением на один кристалл, потребляющий несколько сотен мВт.

Хэслер и его коллектив разработали полный маршрут проектирования, использующий модель обработки аналогового сигнала. По утверждению Хэслера, у одного из созданных больших кристаллов насчитывается порядка 100 тыс. программируемых параметров. На таком уровне сложности невозможно работать вручную, поэтому программирование выполняется с помощью метафоры обработки сигнала на уровне блоков.

И даже в этом случае исключительная сложность FPAA требует использовать ASIC-подобный маршрут проектирования. Попытки устранить неисправность в 1000-компонентной аналоговой схеме с помощью макетной платы оказались бы безуспешными. По этим причинам в маршруте проектирования FPAA задействованы два уровня симуляции. Моделирование начинается с Simulink и библиотеки стандартных блоков, для которых коллектив Хэслера создал таблицы соединений Spice. Пользователь осуществляет моделирование системы в Simulink, затем путем подстановки составляет таблицу соединений. Она отправляется на компилятор кристалла, который создает эквивалентный файл программирования ПЛИС. Хэслер считает, что пользователь должен научиться работать с инструментами Spice, чтобы в наибольшей мере реализовать возможности кристалла. При использовании Simulink эта работа по большей части выполняется в библиотеке. Коллектив инженеров в настоящее время создает инструменты, которые извлекают таблицу соединений Spice с точным воспроизведением паразитных элементов из файла программирования на уровне переключателей и выполняет, по сути, сравнение между созданной топологией и источником.

Так в недалеком будущем станут выполняться маршруты проектирования даже в случае с намного более простыми компонентами, считает Джон Пирс (John Pierce), директор отдела сбыта средств моделирования сигналов, Cadence. Традиционный подход больше не работает даже при проектировании устройств с фиксированным назначением. Инженерам придется учитывать последствия интеграции программируемых компонентов в систему, а не думать, как их программировать.

Интуитивно понятно, что моделирование на уровне платы разумнее выполнять с помощью Matlab или схожего средства. Однако нелегко получить представление о коммутационной матрице с помощью передаточной функции — трудности возникают уже на уровне моделирования схемы. Verilog-A или SystemVerilog (а также им подобные языки) не позволяют изменить параметры регистра конфигурации во время прогона. Симуляция может разделиться на несколько частей при попытке смоделировать эти регистры и аналоговые ключи как часть таблицы соединений устройства, особенно в случае применения методов переключаемых конденсаторов. По мнению Пирса, методы симуляции программируемой аналоговой части системы известны, но вопрос в том, чтобы научиться использовать их в среде Verilog-AMS (analog/mixed-signal — аналоговый или смешанный сигналы).

ЛИТЕРАТУРА

1. www.edn.com/index.asp?layout=articlePrint&articleID=CA6670945.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Рон Уилсон (Ron Wilson), отв. редактор, журнал EDN



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты