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如同當今半導體行業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多辦事。當您增加新的單功能集成電路(IC)時，您需要花費時間進行評估、閱讀新數據資料，甚至尋求IC廠商的支持。每種器件都需要采購、庫存、建立產品編號以及執行附加審核和運作。所有這些時間、勞力以及庫存空間加起來，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，上市時間就越快；同時也將把成本、風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間 作為IC系統設計師，您會將什么放在理想的可編程模擬器件中？首先從20個端口的可編程ADC、DAC、數字IO、開關、電平轉換器，以及內部和外部溫度傳感器連接開始，使任意端口都可配置為以上任意功能。您可以嘗試MAX11300，來看看該器件能為您帶來什么實際好處？ 考慮以下情況。許多時候，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。可能是用于傳統的-10V工業信號，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)，以滿足工業應用。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？沒問題。您由于升級至新微控制器而需要3.3V至1.8V電平轉換器？完全搞定。需要差分輸入ADC來測量檢流電阻？可編程模擬器件也完全支持。 實際應用中的射頻功率放大器(PA)控制 當今的電子系統中，系統檢測和控制至關重要。射頻(RF)基站就是最好的例子。由于環境條件和無線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，以優化電源效率。毫無疑問，您需要多個ADC、DAC以及模擬開關來動態實施系統監測。 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-源電壓以及通過的電流。也需要測量功率晶體管的溫度，以確保未發生過熱。晶體管過熱時，需要快速連接對地開關，以防這些昂貴的功率晶體管熱擊穿和損壞。為實現最大效率，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，并使用多個查找表。MAX11300可快速實現測量內部或外部溫度、更改DAC值所需的任何模擬功能，或者在200ns內閉合開關，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個單端ADC、4個DAC、2個開關和2個通用輸出(GPO)。 通過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)時間的正常運行，有時也稱為5個9。這意味著系統幾乎保證時刻運行，無論是煉油廠、汽車生產線還是食品加工廠。 所以，問題在于真實的系統可靠性。設計者必須第一時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，及時捕獲這些狀態，就能夠實現更長的工作時間、更高的工廠產量、更高的系統可靠性，并取得最終用戶的歡心。 圖2所示為詳細的常見控制和監測(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。如果沒有這樣的診斷功能，產品可能在現場失效或發生間歇性故障。 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、風扇、溫度二極管，以及一對用于I2C時鐘和數據線的電平轉換器。 從圖2中的左上部開始順時針方向，頂部的4個端口作為I2C接口的數字I/O。傳感器的5V時鐘(SCL)和數據線(SDA)被轉換至系統控制器的3.3V邏輯電平。時鐘信號為單向，數據線為雙向，可用于讀和寫操作。 其中一個DAC用于編程產生至負載的模擬電壓輸出。本例中，選擇的是4–20mA輸出環路。其中一個ADC通道用于檢查DAC電壓是否符合預期。也在外部通過RS和MAX44285電流檢測放大器檢查電流。然后將MAX44285輸出反饋至另一個集成ADC。這就形成完整的控制環路。 4個端口組成一對模擬開關和數字控制線。其下是類似的電流驅動和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通道。 圖2中左側為溫度傳感器和風扇的溫度控制。在其上方，利用另一個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，許多客戶仍然使用多個分立式ADC、DAC、溫度傳感器和開關，因為他們不希望增加微控制器負擔。在這種情況下，客戶更希望微控制器連續執行其處理程序，而不是花費任何時間周期執行系統監測功能。在此類應用中，外部系統監測IC可實現效率更高的系統。 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，但我們需要客觀對待：器件并不能滿足所有應用。由于ADC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。通常來說，12位DAC足以滿足4–20mA模擬控制環路，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商的數以百計的放大器和開關，仍然需要輸入緩沖器和外部信號調理。在很多時候仍然需要外部多路復用器/開關，取決于信號鏈中復用器、放大器及ADC的配置。如果使用MAX11300的集成方法可滿足要求，那么輸入和輸出阻抗等技術指標將起決定作用。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足多種不同的需求。同時，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行一番調研�？删幊棠M器件也意味著不一定非得是模擬專家才能進行系統設計�？蓪AX11300看做是FPGA、處理器和ASIC等復雜數字器件周圍的“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、功率放大器控制環路等應用的靈活性和配置能力。 |
