¿Qué pasó con el análogo "programable"?

Hace poco recibí un correo electrónico a través de LinkedIn de alguien que me preguntaba si había alguna actualización de un artículo que escribí en 2001. ¡Guau!, ¡eso es volver al pasado! El artículo era sobre la funcionalidad analógica programable y analizaba una opción de diseño diferente para la cadena de señal analógica.

Dado que una de mis muchas molestias con respecto a la cobertura de noticias generales en estos días es la falta de cobertura de seguimiento de la historia (recibimos un dramático informe en vivo del arresto, pero pocas veces los resultados del juicio) y, como ya han pasado casi dos décadas desde la aparición de ese artículo, me pareció que valía la pena volver a hablar sobre el tema.

Pero, antes que nada, necesitamos una definición esclarecedora. Existen muchos circuitos integrados analógicos programables en los que el usuario puede configurar algunos parámetros o funciones operativos, como el ancho de banda o la frecuencia de muestreo mediante conexión de pines, resistencias discretas o software controlado a través de un puerto I²C/SPI. Sin embargo, no me refiero a estos cuando digo "programables" en este contexto.

Me refiero, en cambio, al complemento analógico del FPGA (arreglo programable de puertas en campo), un componente que tiene una amplia gama de puertas y funciones digitales no comprometidas. Estas pueden interconectarse según sea necesario para crear la topología final del circuito y, de ese modo, ofrecer sistemas digitales extremadamente complicados; los FPGA con más de un millón de puertas ahora son comunes. No hay duda de que los FPGA se han convertido en una fuerza importante por razones que no necesito explicar a esta audiencia, y las nuevas presentaciones de productos siguen llegando.

Figura 1: El T4F81C FPGA de Efinix se basa en el proceso de 40 nanómetros (nm) de SMIC y tiene menos de 150 microamperios (µA) de corriente de fuga de núcleo típica a 1.1 voltios. (Fuente de la imagen: Efinix)

Recientemente se presentó el T4F81C2 Trion™ de Efinix. El FPGA se basa en el proceso de 40 nm de SMIC y viene en un paquete BGA de 81 bolas (Figura 1).

El T4F81C cuenta con la tela Quantum™ de alta densidad y bajo consumo de Efinix envuelta con una interfaz de E/S en un paquete de espacio reducido. Está dirigido a mercados móviles, de consumo y de IoT que necesitan bajo consumo, bajo costo y factor de forma pequeño. Los aspectos más destacados del T4F81C incluyen los siguientes:

• Está diseñado en función del proceso de 40 nm.
• Tiene menos de 150 µA de corriente de fuga de núcleo típica a 1.1 voltios.
• Cuenta con E/S de alto rendimiento que admite estándares e interfaces de E/S de un solo extremo de 1.8 voltios, 2.5 voltios y 3.3 voltios.
• Proporciona reloj flexible en chip.
• Tiene opciones de configuración de dispositivos que incluyen interfaces SPI y JTAG estándar.

Las presentaciones de FPGA continuarán a medida que la tecnología siga evolucionando y abordando requisitos y aplicaciones más diversos, pero últimamente no han aparecido muchos dispositivos analógicos programables.

Parece una buena idea, ¿entonces?

Puede parecer que se necesita un IC análógico con numerosas funciones analógicas no comprometidas. En teoría, podría proporcionar toda la cadena de señales analógicas para la interfaz del sensor, el acondicionamiento de la señal, el filtrado e incluso la E/S a un procesador host (solo a modo de ejemplo). Este arreglo analógico programable en campo (FPAA) incluso podría configurarse en la línea de producción OEM para proporcionar las funciones necesarias para diferentes productos dentro de una familia o serie, por lo que la lista de materiales sería común en múltiples productos. Además, si se producen cambios en la funcionalidad de la cadena analógica, en caso de ser necesarios, podrían implementarse sin el temido giro de la placa de CI con sus retrasos e incertidumbres asociados.

La realidad es que el análogo programable de este tipo no se ha popularizado mucho dentro de la comunidad de diseño de ingeniería. Si observamos a los proveedores que mencioné en ese artículo de 2001, algunos se han ido y otros han sido absorbidos por otras firmas de circuitos integrados, lo cual es bastante normal en esta industria y no vale la pena mencionar, pero ninguno ha desarrollado ningún tipo de presencia dominante en el mercado. En la medida en que aún esté disponible, esta clase de producto tiene un perfil muy bajo. No conozco diseñadores que busquen un análogo programable como una solución para sus necesidades de cadena de señales.

¿Por qué no se ha puesto de moda el análogo programable? Creo que se debe a la naturaleza inherente e inevitable de los circuitos analógicos y las funciones que proporciona. Si observan las funciones de bloques de construcción analógicas más básicas, como los amplificadores operacionales y los comparadores, la mayoría de los proveedores ofrece docenas o incluso cientos de estos en su cartera (consulte. "My Head is Spinning:Why So Many Op Amps?”). La razón es que cada modelo se ajusta mediante el diseño, el proceso de fabricación y la prueba/ajuste para proporcionar una combinación única de atributos de rendimiento. Un amplificador operacional, por ejemplo, puede tener un desempeño sobresaliente con poco ruido, pero más desviación de desplazamiento que otro similar que es más ruidoso.

Se trata de las compensaciones multidimensionales.

El diseñador debe evaluar las ventajas y desventajas y decidir qué precio de rendimiento pagar para alcanzar el rendimiento deseado con las prioridades clasificadas. Otros amplificadores operacionales ofrecerán diferentes combinaciones a través de especificaciones estáticas y dinámicas clave, algunas de ellas sobresalientes en una o dos áreas, pero más o menos en otras; otros dispositivos pueden ser "bastante buenos" en la mayoría de las especificaciones, pero no son realmente excelentes en ningún dispositivo individual. Entonces, ¿cuál es el “correcto” para el diseño?

Como siempre, la respuesta es que "depende" de la clasificación de prioridades de diseño y la ponderación de las compensaciones. Piense en los muchos parámetros que se utilizan para evaluar los amplificadores operacionales básicos, como la velocidad, las compensaciones de voltaje, la corriente de polarización, la desviación de la temperatura, el ancho de banda, el ruido, la disipación, la ganancia, la capacidad de impulso, el rango de voltaje y, bueno, entienden la idea: es una lista muy larga.

Además, si da un paso atrás y observa el panorama general, a diferencia del mundo digital del FPGA, la mayoría de las cadenas de señales analógicas simplemente no tiene muchos bloques funcionales, y los que tienen comúnmente son muy diferentes entre sí. Las características críticas del bloque analógico cambian según la ubicación de la señal: lo que necesita en una interfaz orientada al sensor no es lo que necesita más adelante en el filtro paso banda, para conducir una carga o para la E/S del procesador.

Por ejemplo, considere AD5940 de Analog Devices, un IC de nicho que proporciona una impedancia de alta precisión y un front-end electroquímico para instalaciones de laboratorio de productos químicos (Figura 2). El AD5940 comprende una gran cantidad de funciones analógicas y digitales, pero las analógicas son las más variadas, con especificaciones que se han establecido cuidadosamente para que sean compatibles con los sensores electroquímicos que admiten.

Figura 2: El diagrama de bloques simplificado del AD5940. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Si bien tiene un convertidor analógico a digital (ADC) interno e incluso un microcontrolador para la administración interna, la parte más sensible del diseño es la sección que interactúa con los electrodos de laboratorio especializados de potenciostatos, incluidos los amplificadores operacionales con corriente de polarización prácticamente inexistente y amplificadores de ganancia programable (PGA). Las funciones analógicas dentro de un FPAA más general no tendrían las características sensibles necesarias.

Conclusión

A pesar de su atractivo inicial en principio, la realidad es que una serie general de bloques analógicos no puede satisfacer las diversas necesidades de muchas aplicaciones. Las vulnerabilidades serían inaceptables, mientras que los beneficios reales en la complejidad de la lista de materiales, el estado real de la placa de CI y otros factores de diseño no serían suficientes para que valiera la pena.

Para la mayoría de los diseños analógicos, algunos IC (y generalmente diferentes) elegidos cuidadosamente para que se ajusten mejor a cada parte de la cadena de señales son el mejor enfoque de diseño. ¿Las buenas noticias? Existe una variedad de buenas opciones para cada etapa de esa cadena.