Analogisen etupään (AFE) valinta on keskeinen osa tehosovelluksen suunnittelua. Valinta on usein tasapainottelua suorituskyvyn, kustannusten ja toteutuksen monimutkaisuuden välillä – integroidusta SoC-ratkaisusta aina erilliskomponentteihin asti.

Tehosovellusten suunnittelussa analogisen etupään (AFE) toteutuksen äärilaidat ovat edullinen ja helppo SoC-ratkaisu tai kallis ja vaikea erilliskomponentein toteutettu rakenne, jolla voidaan hallita kaikkia signaaleja läpi koko piiriratkaisun. Näiden ääripäiden välimaastossa moni sovellus voi kuitenkin hyödyntää erityiseen AFE-piiriin perustuvaa rakennetta, joka tarjoaa hyvän tasapainon suorituskyvyn, koon ja joustavuuden kesken.

Pohjimmiltaan mitä tahansa piirilohkoa, joka suorittaa analogisen liitännän erilliselle digitaaliselle ohjaimelle, voidaan kutsua analogiseksi etupääksi eli AFE-lohkoksi (Analog Front-End). Jopa niinkin yksinkertainen piiri kuin operaatiovahvistin (op-amp) voi soveltua hoitamaan tehtävän. Käytännössä termi AFE on kuitenkin yleensä varattu laajemmin integroiduille piireille, jotka yhdistävät useita toimintoja tai useita kanavia luodakseen kattavan liitännän tiettyä sovellusta varten.

Useimmat näistä piireistä sisältävät yhdistelmän, joka koostuu yhdestä tai useammasta ohjelmoitavasta vahvistimesta (PGA), AD-muuntimesta ja standardoidusta digitaalisesta liitännästä (SPI, I2C tms). Vahvistimet muokkaavat analogisia signaaleja, AD-muuntimet muuttavat ne digitaaliseen muotoon ja liitäntä siirtää ne seuraavalle piirille levyllä. Tämä yksinkertaiselta kuulostava toiminto on todella tärkeä vaihe useimmissa elektroniikkalaitteissa, mutta sen taustalla olevat piitoteutukset voivat olla hyvin vaikeita.

AFE:n keskeiset tehtävät

Signaalinkäsittely on sovelluskohtainen ongelma, joten AFE-piirit suunnitellaan usein vain yhtä sovellusta ajatellen. Yksityiskohdat voivat vaihdella, mutta teema on sama: pitää valita sovelluksen toiminnan edellyttämä erityinen analoginen kytkentä ja sijoittaa se integroituun piiriin, joka toimii yhdessä digitaalisen ohjaimen kanssa. Sekä AFE että digitaalinen ohjain voidaan valita erikseen sen mukaan, mikä on ihanteellisin yhdistelmä piiriratkaisun kannalta.

Joissakin tapauksissa signaaliketju voi alkaa antennista, AFE-piirin on sitten ehkä kaistanpäästösuodatuksella valittava kiinnostuksen kohteena oleva osa signaalista ja sen jälkeen vahvistettava sitä. Tämän jälkeen on vielä keskitettävä signaali AD-muunnokselle sopivaksi ja tehtävä tämä muunnos, muokattava muunnoksen digitaalinen tulos sarjamuotoon ja lähetettävä se SPI:n kautta digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP).

Jossain toisessa sovelluksessa tulopuolella saattaa olla anturi, jonka tietyt jännite- ja virtaominaisuudet eivät ole yhteensopivia tyypillisen GPIO-tulon kanssa. Tässä tapauksessa AFE:n on ehkä hyväksyttävä anturin lähtö pienikapasitanssisella tulolla tai epätavallisella jännitealueella, suodatettava ja skaalattava signaali, muunnettava se digitaaliseen muotoon ja välitettävä data mikro-ohjaimelle (MCU) I2C-väyläliitännän kautta.

Joissakin sovelluksissa saatetaan puolestaan vaatia galvaanista eristystä järjestelmän tulojen ja päätöksiä tekevän digitaalisen prosessorin välille. Tämä lisää AFE-signaaliketjuun monenlaisia uusia vaatimuksia. Joka tapauksessa AFE:n perusrooli pysyy tässäkin samana: analogiset tulot muunnetaan digitaalisiksi lähdöiksi.

AFE-ratkaisujen edut

Tämän lähestymistavan järjestelmätason hyödyt eivät välttämättä ole ilmeisiä. Suunnittelijan näkökulmasta yhden sirun ratkaisu näyttää usein nopeimmalta toteuttaa, ja integroituja ratkaisuja on tarjolla. Jotkut MCU- tai DSP-piirit pystyvät täydellisesti toimimaan omana analogisena etupäänään niihin integroitujen lisäosien avulla.

Hyvä esimerkki on 8-bittinen mikro-ohjain PIC16F1769, jossa on 12-kanavainen 10-bittinen AD-muunnin ja kaksi 10-bittistä DA-muunninta. Tämä piiri on selvästi tarkoitettu muodostamaan oma analoginen liitäntänsä, ja samalla osa siitä voi ohjata lediohjaimen hakkurityyppistä teholähdettä. Kaikki analogiset ohjaussignaalit siirretään suoraan mikro-ohjaimelle. Ainoastaan FET-ohjaimen lähtösignaali täytyy syöttää MOSFETille (kuva 1). Tässä ratkaisussa ei tarvita erillistä AFE-piiriä, ja ulkoisia analogisia erilliskomponentteja on vähän.

Kuva 1. Mikro-ohjainpiiriin PIC16F1769 perustuvan lediohjaimen toteutus.

Monissa järjestelmissä ei kuitenkaan ole MCU- tai DSP-piiriä, joka pystyisi suoraan käsittelemään analogisia signaaleja, koska sellaisen valmistaminen olisi kustannusten kannalta kohtuutonta. Tämän ymmärtämiseksi kannattaa miettiä, miten nämä piirit on suunniteltu ja valmistettu.

Analogiset sirut valmistetaan analogisissa kiekkoprosesseissa. Piiritehtaat luovat rakenteita, jotka eivät välttämättä ole pienimpiä tai nopeimpia, mutta niissä on sekä CMOS- että bipolaaritransistoreja ja keskenään sovitettuja tarkkoja vastuksia sekä kondensaattoreita. Käytettävissä on myös korkean jännitekestoisuuden erikoistransistoreja ja lisäksi eristekerroksia tai SOI-kerroksia, jotka ehkäisevät kohinan leviämistä piirien välillä.

Nämä ominaisuudet nostavat piikiekon hintaa, mutta hyödyttävät sirun analogisia rakenteita parantamalla suorituskykyä tai vähentämällä pinta-alavaatimuksia. Nämä analogiset ominaisuudet ovat yleensä riippumattomia prosessilitografiasta, kuten piirikuvioiden koosta. Esimerkiksi sovitetun vastusverkon luomiseen tarvittava pinta-ala voi riippua enemmän käytettävissä olevasta vastusmateriaalista kuin prosessin kapeimmasta viivanleveydestä. Suuremmat mitat omaava ohutkalvovastus voi olla tarkempi ja paremmin sovitettu kuin piistä valmistettu pieni litografiavastus.

Digitaaliset piirit sen sijaan hyötyvät mahdollisimman pienikokoisista transistoreista ja ovat myös skaalautuneet jo vuosien ajan Mooren lain mukaisesti. Jokainen piirisukupolvi suoriutuu kustannusten ja suorituskyvyn osalta paremmin kuin kooltaan laajempi edeltäjänsä.

Tarjolla saattaa olla myös kaiken kattavia kiekkotekniikoita, joiden avulla voidaan valmistaa järjestelmäpiirejä (SoC) erityisiin sovelluksiin, mutta tämä lähestymistapa saattaa kärsiä sekä analogisten prosessien suuresta kerrosmäärästä että edistyneiden digitaalisten sirualueiden korkeista kustannuksista kerrosta kohden. Tämän seurauksena ’paras’ järjestelmäratkaisu saavutetaan usein sovellukseen erikoistuneella sirulla sekä erillisellä ohjaimella ja analogisella etupäällä.

Esimerkkinä energiamittari

Energianmittaus on hyvä esimerkki sovellusalueesta, jolla näitä kompromissiratkaisuja joudutaan harkitsemaan. Alueen sovelluksiin on tarjolla laaja valikoima eri ratkaisuja: järjestelmäpiirejä (SoC), monisiruisia ratkaisuja AFE-piireineen ja lisäksi erilliskomponentteihin perustuvia toteutuksia.

Vaihtoehtojen ylimmällä tasolla esimerkiksi järjestelmäpiiri ATSAM4CM sisältää kaksiytimisen Arm Cortex-M4-prosessorin yhdistettynä kaikkiin tarvittaviin analogisiin lohkoihin, jotka yhdessä voivat muodostaa luokan 0.2 energiamittarin (0,2 % perustarkkuus). Mukaan on sulautettu myös julkisen avaimen kryptografia, joka estää mittarin hakkeroinnin. Piirille kirjoitetut valmiit ohjelmistokirjastotkin nopeuttavat mittarin tuotekehitystä. Jos kaikki piiriin integroidut ominaisuudet ovat mittaussovellukselle tarpeellisia, tämä on erinomainen ratkaisu pienessä koossa (14 x 14 mm) tarjoamaansa toiminnallisuuteen nähden.

Kuva 2. Energianmittaukseen tarkoitettu SoC-piiri ATSAM4CM.

Hyvin suunniteltu piiriratkaisu, joka hyödyntää erillistä MCP3910-piiriä (AFE-siru mittaussovelluksiin), voi kuitenkin tarjota luokan 0.1 mittarin (0,1 % perustarkkuus). MCP3910-piirin kotelon mitat ovat vain 4 x 4 mm.

Verrataanpa näiden kahden piirin teknisiä tietoja: AFE-sirun referenssin lämpötilaryömintä on pienempi (9/10 ppm per ˚C), AD-muuntimen resoluutio suurempi (24/20 bittiä), AD-muuntimen dynaaminen alue laajempi (112/102 dB) ja integroitujen PGA-vahvistimien suurimman vahvistuskertoimen alue laajempi (32x/8x).

Kaikissa analogisissa spesifikaatioissa erillinen AFE-siru suoriutuu siis SoC-piiriä paremmin. Tämä ei tietenkään ole reilu vertailu, koska erillinen AFE-piiri tarvitsee ylimääräisen mikro-ohjaimen vastatakseen SoC-piirin kaikkia ominaisuuksia. Lisäksi monisiruisella rakenteella on piirilevyn suunnittelussa joitakin lisävaatimuksia, jotka SoC-piiriä käyttäen voidaan välttää (esim. tietoturvan toteutus). Vaikka SoC-piiri voi olla epätarkempi, jotkin sovellukset tyytyvät täysin sen analogisiin ominaisuuksiin. Integroinnin helppous voi monissa kohteissa olla tärkeämpi tekijä kuin erillisen analogisen AFE-sirun tuoma suorituskyvyn parannus.

Kuva 3. Lohkokaavio energiamittarista, joka on toteutettu AFE-piirillä MCP3910.

Erillisratkaisut ilman AFE-piiriä

Edellä mainittujen integrointiin liittyvien kompromissien lisäksi muita haasteita esiintyy lukuisissa sovelluskohteissa, jotka voivat hyötyä tai jopa vaatia täysin erillisiä ratkaisuja signaalinmuokkaukseen. Hyvä esimerkki on sähköajoneuvon sisäinen latauspiiri (OBC). Kyseessä on yleinen sähköautojen moduuli, joka ottaa latausvirtaa asuinrakennuksen tavallisesta 120 tai 230 voltin pistorasiasta ja muuntaa sen tasavirraksi akun lataamista varten.

Tämä moduuli on erillinen ja teholtaan pienempi kuin varsinaisten latausasemien pikalaturit, jotka syöttävät nopeasti tasavirtaa suoraan akun latauspiiriin. Vaikka se on ’pienempitehoinen’, tyypillinen moduuli muuntaa kuitenkin 10 kilowatin tehotasolla vaihtovirtaa tasavirraksi 800 voltin jännitetasolle. Joskus on myös tarve luoda OBC-moduuleja, jotka kykenevät kaksisuuntaiseen tehonmuunnokseen, jotta akun energiaa voidaan käyttää vaihtovirran syöttämiseen takaisin asuinrakennukseen. Tämä monimutkaistaa merkittävästi tehonmuunnosta.

AC-tulojännite ja akkujännite on eristettävä asianmukaisesti toisistaan ja kaikesta muustakin. Ohjain tarvitsee kuitenkin mittauksia näistä analogisista signaaleista säätääkseen lähtöjännitteitä. Tulojännite, lähtöjännite, virta ja lämpötila on kaikki mitattava, ja anturit pitää eristää galvaanisesti.

Microchipin tähän sovellukseen kehittämä referenssisuunnittelu hyödyntää mittauspiiriä, joka käyttää resistiivisiä jakajia ja vahvistimia DSP:n jännitesignaalin muokkaamiseen. Se on sijoitettu omalle levylle, joka on fyysisesti erillään muista ohjauspiireistä. Mittauskortin ja ohjauspiirin välisessä digitaalisessa datansiirrossa käytetään optoerottimia.

Virranmittauspiiri sijaitsee sekin eri paikassa, suoraan pääpiirilevyn virtapolulla. Jopa moduulista lähtevä datansiirto on toteutettu eristetyn CAN-väylän kautta. Tähän sovellukseen olisi erittäin vaikeaa valmistaa erillistä AFE-piiriä hoitamaan signaalinmuokkausta: jännitetasot ovat niin korkeita, että ne vaativat fyysisen erottelun, ja tämän tason eristysominaisuuksien integrointi on vaikeaa.

Kuva 4. Sähköajoneuvon latausjärjestelmässä tehokerrointa korjaavan PFC-asteen lohkokaavio.