利用一顆可編程模擬IC取代數十顆芯片

如同當今半導體行業(yè)內幾乎所有事情一樣，硬件系統設計師也正在極力做到少花錢(qián)多辦事。當您增加新的單功能集成電路(IC)時(shí)，您需要花費時(shí)間進(jìn)行評估、閱讀新數據資料，甚至尋求IC廠(chǎng)商的支持。每種器件都需要采購、庫存、建立產(chǎn)品編號以及執行附加審核和運作。所有這些時(shí)間、勞力以及庫存空間加起來(lái)，維持一種新IC所需的費用通常在大約$600至$800/年。

一般普遍認為，您可重用的設計越多，上市時(shí)間就越快;同時(shí)也將把成本、風(fēng)險以及設計復雜度降至最低。本文中，我們討論可編程模擬器件，包括其工作原理以及對設計者的好處。我們希望——好處多多!

有效的重用設計最大程度縮短上市時(shí)間

作為IC系統設計師，您會(huì )將什么放在理想的可編程模擬器件中?首先從20個(gè)端口的可編程ADC、DAC、數字IO、開(kāi)關(guān)、電平轉換器，以及內部和外部溫度傳感器連接開(kāi)始，使任意端口都可配置為以上任意功能。您可以嘗試MAX11300，來(lái)看看該器件能為您帶來(lái)什么實(shí)際好處?

考慮以下情況。許多時(shí)候，設計者仍然需要低于地電勢的電壓以及真正的雙極性能力?？赡苁怯糜趥鹘y的-10V工業(yè)信號，或者為了保留一定裕量,將放大器的負電源偏置到略低于地電勢?；蛘哂糜趥鞲衅髀晕樨摰碾妷?。利用MAX11300可編程模擬IC，ADC和DAC提供真正的12位精度(±1LSB DNL和INL)。輸入和輸出可以為單極性或真正的雙極性(±5V或0至-10V)，以滿(mǎn)足工業(yè)應用。由于許多最新的混合信號IC設計為單極性輸入和輸出，一般為地電勢(0V)至3.3V或5V，雙極性的靈活性尤其有利。

需要額外更多IO?沒(méi)問(wèn)題。您由于升級至新微控制器實(shí)際應用中的射頻而需要3.3V至1.8V電平轉換器?完全搞定。需要差分輸入ADC來(lái)測量檢流電阻?可編程模擬器件也完全支持。

功率放大器(PA)控制

當今的電子系統中，系統檢測和控制至關(guān)重要。射頻(RF)基站就是最好的例子。由于環(huán)境條件和無(wú)線(xiàn)設備的數量不斷變化，需要持續控制和監測基站內的功率晶體管，以?xún)?yōu)化電源效率。毫無(wú)疑問(wèn)，您需要多個(gè)ADC、DAC以及模擬開(kāi)關(guān)來(lái)動(dòng)態(tài)實(shí)施系統監測。

檢測電阻兩端的高性能ADC能夠高精度測量功率晶體管的柵-源電壓以及通過(guò)的電流。也需要測量功率晶體管的溫度，以確保未發(fā)生過(guò)熱。晶體管過(guò)熱時(shí)，需要快速連接對地開(kāi)關(guān)，以防這些昂貴的功率晶體管熱擊穿和損壞。為實(shí)現最大效率，需要調整晶體管的柵極電壓。

圖1所示為RF基站應用。其中集成了外部電源、電流檢測放大器、隔離和微控制器。僅使用一片可編程模擬IC——MAX11300——偏置和檢測2級RF PA頻分雙工(FDD)和時(shí)分復用(TDD)。使用了Infineon? PTMA210152M 15W、兩級PA，但也可使用任何相當的PA。

本例中，微控制器(或微處理器)與ADC及DAC持續通信，并使用多個(gè)查找表。MAX11300可快速實(shí)現測量?jì)炔炕蛲獠繙囟?、更改DAC值所需的任何模擬功能，或者在200ns內閉合開(kāi)關(guān)，以防功率晶體管熱擊穿。

現代化基站也需要功率管上的柵極負電壓，例如DAC可輸出負電壓。MAX11300提供多種負輸出電壓范圍(±5V或0至-10V)。

圖1.參考設計(MAXREFDES39#)原理圖，偏置和監測基站中的射頻功率放大器。為增加通用性，MAX11300配置為6個(gè)單端ADC、4個(gè)DAC、2個(gè)開(kāi)關(guān)和2個(gè)通用輸出(GPO)。

通過(guò)控制和監測提高系統可靠性

當今的系統需要保證99.999%(或更高)時(shí)間的正常運行，有時(shí)也稱(chēng)為5個(gè)9。這意味著(zhù)系統幾乎保證時(shí)刻運行，無(wú)論是煉油廠(chǎng)、汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)還是食品加工廠(chǎng)。

所以，問(wèn)題在于真實(shí)的系統可靠性。設計者必須第一時(shí)間知道特定的分立式元件是否工作異常，例如電阻、電感、電容或IC。在元件或IC失效之前，及時(shí)捕獲這些狀態(tài)，就能夠實(shí)現更長(cháng)的工作時(shí)間、更高的工廠(chǎng)產(chǎn)量、更高的系統可靠性，并取得最終用戶(hù)的歡心。

圖2所示為詳細的常見(jiàn)控制和監測(或系統輔助功能)診斷功能，確保系統的電源電壓和溫度均工作在最佳范圍。如果沒(méi)有這樣的診斷功能，產(chǎn)品可能在現場(chǎng)失效或發(fā)生間歇性故障。

圖2.采用MAX11300可編程混合信號I/O器件的控制和監測示例。本例監測和控制一對外部電流檢測放大器、電位計、風(fēng)扇、溫度二極管，以及一對用于I2C時(shí)鐘和數據線(xiàn)的電平轉換器。

從圖2中的左上部開(kāi)始順時(shí)針?lè )较?，頂部?個(gè)端口作為I2C接口的數字I/O。傳感器的5V時(shí)鐘(SCL)和數據線(xiàn)(SDA)被轉換至系統控制器的3.3V邏輯電平。時(shí)鐘信號為單向，數據線(xiàn)為雙向，可用于讀和寫(xiě)操作。

其中一個(gè)DAC用于編程產(chǎn)生至負載的模擬電壓輸出。本例中，選擇的是4–20mA輸出環(huán)路。其中一個(gè)ADC通道用于檢查DAC電壓是否符合預期。也在外部通過(guò)RS和MAX44285電流檢測放大器檢查電流。然后將MAX44285輸出反饋至另一個(gè)集成ADC。這就形成完整的控制環(huán)路。

4個(gè)端口組成一對模擬開(kāi)關(guān)和數字控制線(xiàn)。其下是類(lèi)似的電流驅動(dòng)和ADC配置，以測量和控制電流。本例中，DAC連接至晶體管，使用MAX44285雙通道放大器的第二個(gè)通道。

圖2中左側為溫度傳感器和風(fēng)扇的溫度控制。在其上方，利用另一個(gè)ADC通道測量偏置在10V和地電勢之間的電位計。

當今的微控制器中也集成了MAX11300內的部分功能電路。然而，許多客戶(hù)仍然使用多個(gè)分立式ADC、DAC、溫度傳感器和開(kāi)關(guān)，因為他們不希望增加微控制器負擔。在這種情況下，客戶(hù)更希望微控制器連續執行其處理程序，而不是花費任何時(shí)間周期執行系統監測功能。在此類(lèi)應用中，外部系統監測IC可實(shí)現效率更高的系統。

通用性強，但并不是靈丹妙藥

MAX11300可編程模擬IC具有相當大的設計靈活性，但我們需要客觀(guān)對待：器件并不能滿(mǎn)足所有應用。由于A(yíng)DC和DAC受限于12位，IC并不適合需要16或24位的儀器儀表或高精度電子秤。通常來(lái)說(shuō)，12位DAC足以滿(mǎn)足4–20mA模擬控制環(huán)路，但有的設計者更喜歡使用16位。

該可編程模擬芯片并不能代替模擬廠(chǎng)商的數以百計的放大器和開(kāi)關(guān)，仍然需要輸入緩沖器和外部信號調理。在很多時(shí)候仍然需要外部多路復用器/開(kāi)關(guān)，取決于信號鏈中復用器、放大器及ADC的配置。如果使用MAX11300的集成方法可滿(mǎn)足要求，那么輸入和輸出阻抗等技術(shù)指標將起決定作用。確定這些設計決策正是模擬設計“魔法”的魅力所在。

總結

硬件設計公司往往尋求在新應用中重用已有設計。通過(guò)使用可編程模擬器件，設計者能夠使單種器件和可配置電路滿(mǎn)足多種不同的需求。同時(shí)，如果一種可編程模擬器件具備10至20種不同模擬元件的功能，硬件公司的采購團隊將不得不進(jìn)行一番調研?？删幊棠M器件也意味著(zhù)不一定非得是模擬專(zhuān)家才能進(jìn)行系統設計?？蓪AX11300看做是FPGA、處理器和ASIC等復雜數字器件周?chē)?ldquo;模擬集中器”。結合可編程模擬能力與FPGA及處理器的靈活性，可大幅擴展系統的使用范圍。

可編程模擬器件并不能代替所有模擬功能，但MAX11300的拖曳式GUI能夠快速配置IC，將全部20個(gè)端口保存至位流，可從FPGA、微控制器或處理器快速裝載。這就為設計者節省大量電路板空間和成本，增加了系統輔助功能、控制和測量、功率放大器控制環(huán)路等應用的靈活性和配置能力。