Bild 1: Repräsentativer Mixed-Signal-SOC: Analog- und Digitalfunktionen auf einem Chip vereint

Digitalverarbeitung in Analog- und Mixed-Signal-Designs

Das Internet der Dinge (IoT; Internet of Things) – in dem Milliarden von Geräten (ob smart oder nicht) IP-fähig sind und vernetzt werden – bietet eine Fülle von Möglichkeiten für Geräte und Systeme, die physikalische und somit analoge Welt in der wir leben, mit Sensorik, Steuerungen, Aktuatoren und Kommunikation auszustatten. Ein weiterer wichtiger Trend in der gesamten Elektronikindustrie ist die Bereitstellung von Lösungen, die stromsparend sind und eine höhere Energieeffizienz auf Systemebene ermöglichen. Bietet das Vordringen der Digitaltechnik in den Bereich des analogen Chip-Designs die Antwort auf diese strategischen Trends?

 Bild 1: Repräsentativer Mixed-Signal-SOC: Analog- und Digitalfunktionen auf einem Chip vereint
Bild 1: Repräsentativer Mixed-Signal-SOC: Analog- und Digitalfunktionen auf einem Chip vereint

Analogdesign war und ist schon immer hohe Kunst, und die Kombination mit Digitaltechnik in Analog-Mixed-Signal-Designs ist ein sehr komplexer Prozess. Zum Glück ist dies in letzter Zeit einfacher geworden. Ein Faktor, der den Entwicklungsprozess vereinfacht und beschleunigt hat, ist der immer fortschrittlichere Mixed-Signal-Design-Flow mit EDA-Tools, mit denen Entwickler nun sowohl den analogen als auch den digitalen Teil in Mixed-Signal-Designs entwerfen und simulieren sowie gleichzeitig C-Code ablaufen lassen können.

Zuvor gab es unterschiedliche Trennungsgrade zwischen dem Design und der Simulation von Analog- und Digitalschaltkreisen. Bei der Zusammenlegung in einem Single-Chip-Layout kam es vor, dass das Design nicht gleich beim ersten Mal funktionierte. Doch dank der neuen Design-Tools verläuft dieser Prozess jetzt fast augenblicklich, anstatt in vielen extra Wochen an Entwicklungsarbeit.

Datenverarbeitung integrieren, Testmöglichkeiten verbessern

Wird nun noch die zunehmende kommerzielle Verfügbarkeit von Analog-IP zusammen mit digitalen Bibliotheken zu diesem Mix hinzugefügt, wird es für jeden Analog- oder Mixed-Signal-Chiphersteller einfacher und schneller, mit effizienten Designs auf den Markt zu kommen. Dies war noch vor ein paar Jahren unmöglich, vor allem für jene, die über wenig Erfahrung auf diesem Gebiet verfügten.

Die erweiterten Funktionen im Design Flow machen es zunehmend einfacher, einen Digitalprozessor in ein Analog- oder Mixed-Signal-Design zu integrieren. Es ergeben sich keine Nachteile, wenn zum Beispiel ein 32-Bit-Cortex-M0-Prozessor-Core in ein Design integriert wird. Der Core wird mit nur 12.000 Logikgattern implementiert und ist praktisch vernachlässigbar klein im Vergleich zu den umgebenden Analogschaltkreisen, die um den Faktor 10:1 größer sind. Die entsprechenden Kosten für die größere Die-Fläche sind deshalb äußerst gering.

Auch das Hinzufügen eines digitalen Subsystems verbessert die Testmöglichkeiten des Bausteines – ein immenser Vorteil, der bis heute noch nicht vollständig genutzt wird. Ein Digitalprozessor wird zu einer flexiblen Engine, die alle Arten von On-Chip-Tests und Kalibrierungen in Mixed-Signal-SoCs unterstützen kann. Damit vereinfacht sich die Validierung der Analog-Elektronik erheblich. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Systemintegration und die damit einhergehenden niedrigeren Gesamtkosten für das Endsystem. Meist kommt bereits ein eigenständiger Mikrocontroller in einem Kundendesign zusammen mit einem Analog- oder Mixed-Signal-Chip zum Einsatz.

Die Energieeffizienz des Systems erhöhen

Anbieter von Analog-ICs sind nun in einer wesentlich besseren Position, eine höhere Integration anzubieten. Dies kann ganz natürlich geschehen oder aber auch nicht: einige Anbieter möchten den Digitalprozessor für On-Chip-Tests nutzen, diesen aber nicht unbedingt dem Kunden zur weiteren Entwicklungsarbeit zur Verfügung stellen. Insgesamt stellt dies aber einen klaren Mehrwert für Hersteller von Analog-ICs dar. Auf der anderen Seite wollen auch die Anbieter von Digital-ICs ihr Angebot an digitaler Signalverarbeitungstechnik mit analogen Bauteilen erweitern.

Die neue Generation von Mixed-Signal-Bausteinen hat die Fähigkeit, die Anforderungen des Internet der Dinge zu erfüllen. Entscheidend ist, dass die Integration eines Digitalprozessors die Effizienz und Performance des Gesamtsystems verbessert, was erhebliche Einsparungen beim Stromverbrauch mit sich bringt.

Wie kann die Digitaltechnik nun dazu beitragen, die Fähigkeiten analoger Bauteile zu verbessern, um den Stromverbrauch eines Systems zu verringern? Ein spezielles und weit reichendes Beispiel ist die Antriebssteuerung. Gerade hier ist die Leistungselektronik und Analogtechnik entscheidend. Ein Digitalprozessor kann ein wesentlich besseres Motormanagement hinsichtlich Drehzahl und/oder Drehrichtung ermöglichen, was zu einer Stromeinsparung von etwa 40% führt.

Dies trifft vor allem auf große Antriebe in industriellen Anwendungen zu, nicht unbedingt auf preiswerte Verbrauchsmaterialien wie Spielzeug. Die Digitaltechnik ersetzt nicht die Analogtechnik, oder nimmt ihr etwas weg – sie ermöglicht einfach nur die digitale Steuerung zur Qualitätsverbesserung des Gesamtsystems.

Analog Devices und Infineon mit Beispiel-ICs

Mit diesen erweiterten Funktionen und der erhöhten Integration kann sich der Return on Investment sehr schnell einstellen – und das durch einen kleinen und leistungsfähigen digitalen Prozessor-Core. Der Beweis dafür ist, dass Analog- und Mixed-Signal-Bausteine, die eine Digitalverarbeitung enthalten, nun auf den Markt kommen. Ein Beispiel ist ein Mixed-Signal-Prozessor von Analog Devices: der ADSP-CMX40X enthält einen Cortex-M4-Prozessor und ermöglicht Entwicklern von Antriebssteuerungen, mehr Funktionen auf den Chip zu integrieren.

Der Baustein zielt auf energieeffiziente Anwendungen in der Industrie ab und ermöglicht präzisere Antriebssteuerungen, Photovoltaik-Wechselrichter und Servosteuerungen mit geschlossenem Regelkreis. Ein zweites Beispiel ist die XMC4000-Serie von Infineon: die Bausteine enthalten ebenfalls einen Cortex-M4 und zielen auf energieeffiziente Anwendungen in der Industrie ab.

Als drittes Beispiel sei die Lizenzierung des Cortex-M0-Prozessors durch Dialog Semiconductor genannt. Das Unternehmen will den Core als Controller in einer Reihe von Power-Management-ICs für die Versorgungssteuerung und das Batteriemanagement in Smartphones oder Tablets einsetzen.

Digitale Intelligenz

In ein paar Jahren, oder sogar noch früher, könnte die überwiegende Mehrheit oder zumindest ein hoher Prozentsatz an Analog-Mixed-Signal-Chip-Designs ein hochleistungsfähiges digitales Verarbeitungssystem zur Steuerung enthalten. Entwickler können dann ihre eigene Software dazu schreiben. Die Hauptanwendung wird vor allem im Bereich der Antriebssteuerung und Leistungselektronik sein, da die Mehrheit dieser Lösungen heute im Wesentlichen noch nicht intelligent ist.

Mit digitaler Intelligenz können Motoren enorme Mengen an Strom einsparen. Schätzungen gehen davon aus, dass Elektromotoren 40% der weltweit genutzten Energie verbrauchen – der größte Anteil trifft dabei auf Antriebe in der Industrie zu. Eine kleine digitale Behandlung der Analogtechnik könnte also für erhebliche Umwelt- und Kostenvorteile sorgen.

Der Autor: Richard York, Director Embedded Processor Products, ARM.

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