Większość AFE zawiera kombinację jednego lub więcej wzmacniaczy o programowalnym wzmocnieniu (PGA), przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) i interfejsów cyfrowych (SPI, I²C lub podobnych standardów). Wzmacniacze kondycjonują sygnały analogowe, przetworniki ADC przekształcają je na reprezentację cyfrową, a interfejs przekazuje je do innego urządzenia na płytce. Ta prosta operacja jest krytyczna w większości urządzeń elektronicznych, ale implementacje układowe za nią stojące mogą być bardzo trudne.
Co robi AFE?
Kondycjonowanie sygnału to problem specyficzny dla danej aplikacji. Obwody AFE są często projektowane z myślą o jednej aplikacji. Szczegóły mogą się różnić, ale zasada jest ta sama: wziąć wyspecjalizowane obwody analogowe wymagane do danej funkcji i umieścić je w jednym zintegrowanym układzie do pracy z kontrolerem cyfrowym.
Zarówno AFE, jak i kontroler można wybrać oddzielnie w zależności od tego, co pasuje do wymagań. W jednym przypadku łańcuch sygnału może zaczynać się od anteny, dalej AFE może potrzebować filtru pasmowo-przepustowego interesującego sygnału, wzmocnienia, wyśrodkowania poziomu w zakresie konwersji A/ D, a następnie wykonania konwersji, zserializowania wyniku i wysłania go przez SPI do procesora sygnałowego (DSP).
W innym zastosowaniu na wejściu może być czujnik o określonych parametrach napięcia i prądu, które nie są zgodne poziomami z typowym cyfrowym wejściem GPIO i ADC. W takim przypadku AFE może mieć czułe wejście o małej pojemności wejściowej lub działające w nietypowym zakresie napięć, po to aby dalej sygnał przefiltrować, skalować, przekonwertować na reprezentację cyfrową i przekazać te informacje do mikrokontrolera (MCU) za pomocą interfejsu I2C. Niektóre aplikacje mogą wymagać izolacji galwanicznej między wejściami systemu a procesorem, dodając inne wymagania do łańcucha sygnału AFE. W każdym przypadku rola AFE jest taka sama: wejścia analogowe są przekształcane w wyjścia cyfrowe.
Dlaczego warto używać AFE?
Korzyści systemowe tego podejścia nie są zawsze oczywiste. Z perspektywy projektanta systemu rozwiązanie jednoukładowe często wydaje się szybszą implementacją, a zintegrowane rozwiązania istnieją. Niektóre mikrokontrolery lub układy DSC są w pełni zdolne do bycia własnym analogowym front-endem przy użyciu zintegrowanych obwodów peryferyjnych.
Jako przykład przyjrzyjmy się PIC- 16F1769, 8-bitowemu mikrokontrolerowi z 12-kanałowym, 10-bitowym przetwornikiem ADC i dwoma 10-bitowymi przetwornikami DAC. Ten układ jest przeznaczony do realizacji własnego interfejsu analogowego, a część cyfrowa może sterować konwerterem impulsowym do sterowania diodami LED, przy czym wszystkie sygnały sterujące analogowe są podawane bezpośrednio do mikrokontrolera. Na rysunku 1 tylko sygnał wyjściowy sterowania tranzystorem FET mocy musi być wzmocniony sterownik MOSFET-a. Jak widzimy w przypadku tego projektu nie był wymagany żaden dodatkowy układ AFE, a liczba podzespołów dyskretnych poza MCU jest minimalna.
Jednak w wielu systemach nie ma MCU ani DSP, które mogłyby bezpośrednio przetwarzać sygnały analogowe. Takich jednostek ogólnie jest na rynku niewiele, bo opłacalność produkcji jest dyskusyjna. Analogowe układy scalone są produkowane w specjalnych technologiach procesowych, które pozwalają produkować zarówno tranzystory CMOS, jak i bipolarne, precyzyjne rezystory i kondensatory, które można trymować. Takie procesy pozwalają na zasilanie chipów wyższym napięciem a specjalne studnie izolacyjne lub warstwy SOI ograniczają szumy i zakłócenia między obwodami. Te cechy zwiększają koszt produkcji, ale przynoszą korzyści dzięki lepszym parametrom.
Procesy analogowe są ogólnie niezależne od wymiaru charakterystycznego. Na przykład obszar na krzemie wymagany do utworzenia sieci rezystorów może zależeć bardziej od dostępnego materiału rezystora niż od najmniejszej linii możliwej do narysowania przez litografię – rezystor cienkowarstwowy o większej geometrii może przewyższyć rezystor polikrzemowy pod względem dokładności, dopasowania i wymaganej powierzchni krzemu. Z drugiej strony układy cyfrowe produkuje się z założeniem maksymalnego upakowania i integracji, a każda nowa generacja przewyższa swojego większego poprzednika pod względem wydajności. Cele projektowe są tutaj inne.
Z kolei technologie złożone, które pozwalają tworzyć rozwiązania typu system-on-chip (SoC), charakteryzują się użyciem dużej liczby warstw procesowych i mają wysoki koszt na warstwę w przypadku zaawansowanych węzłów cyfrowych. W rezultacie często „najlepsze” (optymalne) rozwiązania systemowe są osiągane przy użyciu oddzielnego kontrolera i analogowego front-endu jako oddzielnego chipa.
Przykład – kompromisy w projektach liczników energii
Liczniki energii elektrycznej mogą zilustrować ten kompromis związany z AFE. Na rynku jest wiele rozwiązań układowych do tego celu, w tym zintegrowane SoC, układy multichip z AFE lub implementacje na komponentach dyskretnych. Elementem wspólnym może być coś takiego jak SoC ATSAM4CM z dwurdzeniowym procesorem Arm Cortex-M4, połączonym ze wszystkimi odpowiednimi obwodami analogowymi, działający jako licznik energii klasy 0,2 (pomiar o dokładności 0,2%). Procesor ten pozwala na użycie kryptografii klucza publicznego, aby uniemożliwić hakowanie licznika i są do niego dostępne biblioteki oprogramowania przyspieszające rozwój produktu. Jest to doskonałe rozwiązanie w obudowie 14 × 14 mm o niezłej funkcjonalności.
W innym podejściu dodanie obwodu AFE wykorzystującego zewnętrzny chip MCP3910 (4 × 4 mm) pozwala stworzyć klasy 0,1 (dokładność 0,1%). Porównując specyfikacje tych dwóch realizacji: dryft temperatury z układem AFE jest mniejszy (9 ppm/°C w porównaniu z 10 ppm/°C), rozdzielczość na ADC jest wyższa (24 bity zamiast 20 bitów), zakres dynamiki na ADC jest szerszy (112 dB w porównaniu z 102 dB), a zakres wzmocnienia zintegrowanego wzmacniacza PGA jest szerszy (do 32× w porównaniu z 8×).
W każdej grupie parametrów oddzielny układ AFE przewyższył układ SoC. Oczywiście nie jest to uczciwe porównanie, ponieważ wydzielony AFE wymaga dodatkowego mikrokontrolera, a rozwiązanie wieloprocesorowe ma pewne dodatkowe wymagania projektowe jak implementacja zabezpieczeń. Można zatem powiedzieć, że SoC będzie pasował do niektórych zastosowań, a łatwość integracji w tym przypadku może przeważyć nad jakąkolwiek poprawą wydajności przynoszoną przez wydzielony analogowy AFE.
Rozwiązania dyskretne, czyli bez AFE
Oprócz tych problemów integracyjnych istnieje również wiele aplikacji, które wymagają dyskretnych układów kondycjonowania sygnału. Jednym z przykładów jest obwód ładowania pokładowego (OBC). Jest to powszechny blok w pojazdach elektrycznych, który pobiera energię z typowego gniazdka domowego 120 V lub 230 VAC i zamienia ją na prąd stały w celu naładowania akumulatora. Jest to oddzielne urządzenie i ma ono niższą moc niż typowa stacja ładowania, która dostarcza prąd ładowania bezpośrednio do akumulatora. Pomimo „niższej mocy”, typowy moduł OBC obsługuje moc 10 kW i jest zasilany z sieci prądu przemiennego, dając na wyjściu ok. 800 VDC. Czasami OBC jest konwerterem dwukierunkowym, dzięki czemu energia akumulatora może być używana do dostarczania prądu przemiennego z powrotem do domu, co oczywiście znacznie komplikuje jego budowę.
Obwody wejściowe prądu przemiennego i ładowania akumulatora muszą być odizolowane od siebie, a także od wszystkiego innego. Jednak kontroler OBC wymaga dokonywania pomiarów sygnałów analogowych po obu stronach izolacji, aby zapewnić regulację. Napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe, prąd i temperatura muszą być mierzone, a czujniki muszą być galwanicznie izolowane. W przypadku referencyjnego projektu Microchip dla tej aplikacji istnieje obwód pomiarowy, który wykorzystuje dzielniki rezystancyjne i wzmacniacze do kondycjonowania sygnału napięciowego dla DSP, na fizycznie oddzielnej płytce, a optoizolatory są używane w komunikacji cyfrowej między płytką pomiarową a obwodami sterującymi. Obwód czujnika prądu znajduje się również w innym miejscu, bezpośrednio na ścieżce prądowej na głównej płytce drukowanej. Nawet komunikacja poza modułem jest realizowana za pomocą izolowanej magistrali CAN. W tej aplikacji bardzo trudno byłoby stworzyć AFE do obsługi tego kondycjonowania sygnału – napięcia są wystarczająco wysokie, aby wymagać fizycznej separacji, a zdolność izolacji jest trudna do zintegrowania w jednym chipie.
Podsumowanie
W branży półprzewodników niewątpliwie istnieje trend zmierzający w kierunku zwiększania poziomu integracji w stronę rozwiązań jednoukładowych. W przypadku wielu zastosowań takie rozwiązania mogą być opłacalne lub łatwe w użyciu. W innych przypadkach projektanci systemów mogą preferować używanie dyskretnych komponentów i kondycjonowanie wg własnego pomysłu. Pomiędzy tymi dwoma skrajnościami wiele aplikacji może używać implementacji opartych na AFE, które oferują równowagę wydajności, rozmiaru i elastyczności.
Fionn Sheerin Product line marketing manager Microchip Technology’s Analog Power and Interface Division (APID)
