Analogia- ja sekasignaalipiireihin on lähivuosina tulossa merkittävä evoluutio. IoT, Internet of Things – jossa miljardit älykkäät esineet saavat IP-numeron ja liittyvät verkkoon – tuo valtavasti mahdollisuuksia laitteille ja järjestelmille, jotka aistivat, ohjaavat, vaikuttavat ja viestivät fyysisessä ja mitä analogisimmassa maailmassa, jossa elämme.

Artikkelin kirjoittaja Richard York nimitettiin ARM:n sulautettujen prosessorituotteiden johtajaksi joulukuussa 2007. Richard vastaa tiimistä, joka markkinoi ARM:n sulautettuja ja mikro-ohjaintuotteita mukaanlukien Cortex-M- ja Cortex-R -prosessoriperheet. Hän vastaa sulautettujen tuotteiden roadmapista.  Richard työskentelee tiiviisti ARM:n lisenssasiakkaiden ja näiden asiakkaiden kanssa tuote- ja markkinakehityksen parissa. Hän tuli ARM:n palvelukseen vuonna 1994 ja oli tiiviisti mukana alkuaikojen ARM-prosessorien suunnittelussa ennen kuin siirtyi markkinointitehtäviin vuonna 2000.

Toinen tärkeä koko elektroniikka-alan yhteisessä mielessä näkyvä trendi on sellaisten ratkaisujen tarjoaminen, jotka vähentävät tehonkulutusta ja lisäävät energiatehokkuutta järjestelmätasolla. Voisiko digitaalisen prosessoinnin tunkeutuminen analogiasuunnittelun esoteeriselle alueelle olla vastaus näihin strategisiin haasteisiin?

Analogiasuunnittelu tunnetaan mustana taiteena ja sen yhdistäminen digitaaliseen on hyvin kompleksinen prosessi sekasignaalisuuunnittelussa. Siitä on kuitenkin viime aikoina tullut paljon helpompaa. Yksi kehitysprosessia helpottanut ja nopeuttanut tekijä on sekasignaalisuunnittelun EDA-työkalujen kehittyminen niin, että suunnittelijat voivat suunnitella ja simuloida sekä analogista että digitaalista sekasignaalisuunnitteluissa yhtäaikaisesti. Aiemmin analogia- ja digitaaliosien suunnittelua ja simulointia on aina tehty enemmän tai vähemmän erillään, ja kun osat tuodaan yhteen samalle sirulle, suunnittelu ei välttämättä toimi ensimmäisellä kerralla. Uusien edistyneempien työkalujen ansiosta prosessi on lähes välitön sen sijaan, että prosessi veisi useita lisäviikkoja kehitysaikaa. Ja kun mukaan otetaan analogia-IP:n lisääntyvä kaupallinen tarjonta digitaalisten kirjastojen kera, on nopeiden ja tehokkaiden analogia- ja sekasignaalisuunnitteluiden tekeminen helpompaa ja nopeampaa kuin muutama voisi sitten oli edes mahdollista. Erityisesti tämä koskee tietenkin kokeneita suunnittelijoita.

Prosessointikapasiteetin sulauttaminen

Suunnitteluvuon edistyneet ominaisuudet tekevät digitaalisen prosessorin sulauttaminen analogia- tai sekasignaalisuunnitteluun yhä helpommaksi. Esimerkiksi 32-bittisen Cortex-M0 -prosessoriytimen lisääminen suunnitteluun ei juuri rankaise suunnittelijaa. Ydin toteutetaan vain 12 000 logiikkaportilla, joten sen osuus ympäröivän noin 10 kertaa suuremman analogiaosan rinnalla on lähes olematon. Siksi lisäkustannukset piialan kasvusta jäävät hyvin alhaisiksi.

Digitaalisen alijärjestelmän lisääminen parantaa lisäksi huomattavasti piirin testattavuutta. Tätä suurta etua ei ole vielä täysin ymmärretty. Digitaalisesta prosessorista tulee joustava moottori, jota voidaan käyttää kaikenlaisiin piiritesteihin ja kalibrointeihin sekasignaalijärjestelmäpiireillä. Tämä helpottaa analogiaelektroniikan validointia. Lisäksi järjestelmäintegraatio kasvaa, mikä alentaa lopputuotteen kustannuksia.

Mikro-ohjainta on ehkä jo aiemmin käytetty asiakassuunnittelussa analogia- tai sekasignaalipiirin rinnalla, joten analogiapiirien valmistaja on paljon paremmassa asemassa lisäämään intergraatioasetta. Aina näin ei käy: jotkut valmistajat haluavat käyttää digitaalista prosessoria piirin testaamiseen eivätkä välttämättä halua avata sitä asiakkaille jatkokehitystä varten. Kyse on joka tapauksessa lisäarvosta analogiapiirien valmistajalle. Ja pitää muistaa, että johtavat digitaalipiirejä kehittävät yritykset haluavat laajentaa digitaalisen prosessoinnin valikoimaansa analogiakomponenteilla.

Järjestelmän energiatehokkuuden parantaminen

Vaikka tämä uusi ja nouseva sekasignaalipiirien sukupolvi voi täyttää esineiden internetin vaatimukset, tärkeintä on että digitaalisen prosessorin sulauttaminen parantaa järjestelmän energiatehokkuutta ja suorityskykyä merkittävästi. Tämä johtaa suuriin säästöihin tehonkulutuksessa.

Miten digitaalinen voi sitten parantaa analogiakomponenttien ominaisuuksia järjestelmän tehonkulutuksen pienentämisen kannalta? Hyvin tärkeä esimerkki on moottorinohjaus, jossa tehoelektroniikka ja analogiaosat ovat erittäin kriittisiä. Digitaalisen prosessorin avulla moottorin nopeutta ja pyörimissuuntaa voidaan hallita paljon tarkemmin, millä päästään jopa 40 prosentin säästöön tehonkulutuksessa. Digitaalinen ei korvaa tai vie pois mitään analogiselta – se vain mahdollistaa sen, että digitaalinen ohjaus parantaa koko järjestelmän laatua.

Nämä edistyneet ominaisuudet yhdessä kasvaneiden integraatiomahdollisuuksien ja lisääntyneen toiminnallisuuden myötä tarkoittavat, että pienen ja tehokkaan digitaalisen prosessorin lisääminen suunnitteluun voi maksaa itsensä takaisin erittäin nopeasti. Tämä seurauksena markkinoille alkaa nyt tulla analogia- ja sekasignaalipiirejä, joille on integroitu digitaalista prosessointia. Sellainen on esimerkiksi Analog Devicesin sekasignaaliprosessori ADSP-CMS40X, jonka sisältämän Cortex-M4 -prosessorin avulla moottorikäyttöjä suunnittelevat voivat lisätä piireihinsä ominaisuuksia. Prosessori on tarkoitettu erityisesti teollisuuden energiatehokkaisiin sovelluksiin ja suunniteltu tuomaan tarkempaa moottorinohjausta moottorikäyttöihin, aurinkokennojen inverttereihin sekä servo-ohjauksiin.

Infineonin XMC4000-perheestä löytyy myös Cortex-M4 -prosessori. Tämäkin piiri on tarkoitettu parantamaan energiatehokkuutta teollisuussovelluksissa. Dialog Semiconductor puolestaan lisensoi vastikään Cortex-M0 -ytimen. Yhtiö aikoo käyttää ohjainta tehon- ja akkuhallinnassa älypuhelinten ja tablettien piireissä.

Tulevaisuus

Jo lähivuosina isoon osaan analogia- ja sekasignaalisuunnitteluja integroidaan suorituskykyinen digitaalinen alijärjestelmä ohjaamaan ja hallitsemaan koko järjestelmää. Lisäksi ohjelmistosuunnittelijat voivat lisätä omaa koodiaan suunnitteluun. Tärkeimmät sovellukset tulevat olemaan moottorinohjauksessa ja tehoelektroniikassa, joissa pääosa sovelluksista tänä päivänä on “tyhmiä”. Esimerkiksi moottoreissa digitaalisen älyn lisääminen voisi säästää valtavia määriä energiaa. Erään arvion mukaan sähkömoottorit kuluttavat 40 prosenttia maailman sähköenergiasta ja iso osa tästä kuluu teollisuuden moottoreissa. Analogisen pieni digitaalinen käsittely voisi pienentää tätä jalanjälkeä ja tuoda merkittäviä ympäristö- ja kustannusetuja.

Kun esineiden internetistä tulee tulevina vuosina todellisuutta ja vaatimukset tehonkulutuksen vähentämiseksi kasvavat, seuraavan sukupolven analogia- ja sekasignaalipiireissä yhdistetään todennäköisesti aistivaa ja käynnistävää “analogiaa reunalla” “digitaaliseen ytimeen”, joka ohjaa, tekee päätöksiä ja kommunikoi. Pitkälle integroitu ja digitaalisesti ohjattu analoginen järjestelmäpiiri, jonka avulla voidaan säästää 40 prosenttia teollisuusmoottorin sähkönkulutuksesta – tuli piiri sitten analogia- tai digitaalipiirien valmistajalta – on hyvin houkutteleva tekniikka, jolla on kaikki mahdollisuudet nousta hyvin halutuksi jo lähitulevaisuudessa.