センサーを統合し ダイナミックな環境で動作する現代電子システムにより固定アナログ回路の限界を無視するのはますます困難になっていますデジタル処理は現在のシステムアーキテクチャを 支配しているかもしれませんが 物理の世界は 依然としてアナログですアクチュエータとインターフェースは,実際の電気信号ですこれらの信号を効果的に処理する前に,最初に増幅,フィルタリング,コンディショニングを行う必要があります.
低レイテンシー応答が重要な指標となり,アプリケーション要件が進化するにつれて,シミュレーションフロントエンドの重要性は再び強調されます.自動車用電子機器やモノのインターネットのプラットフォームは,精密で適応性の高い信号調節に依存していますアナログ信号の質の小さな改善は,しばしばより高いシステム精度,信頼性,効率に直接変換されます.
伝統的に,アナログ信号リンクは,動作増幅器,フィルター,比較器などの固定機能要素から構築されています.このアプローチは,要求が安定して明確である場合,優れた結果をもたらす.センサーの特性,動作条件,またはパフォーマンス目標の変化は,しばしばスケーマ的修正,PCBレイアウトの再設計,追加的な検証サイクル.
Field Programmable Analog Array (FPAA) は,非常に異なるアプローチを提供します.エンジニアは,ハードウェアに固定されたアナログ信号リンクを使用せずにソフトウェアを通じてアナログ機能を構成することができます.OKIKAデバイス OTC2310K04-PIKAプログラム可能なアナログアーキテクチャが実際のミックス信号システムに適用される方法を説明します.この論文では,FPAAの仕組みについて説明します.プログラム可能なシミュレーションソリューションを評価する際に考慮すべきトレードオフです.
Okika PiKa Quad FlexFPAA開発委員会 (拡大するにはクリック)
図1: Okika PiKa Quad FlexFPAA開発委員会 (画像ソース: Okika Devices)
シミュレーション設計の構造的課題
アナログ設計は デジタルエンジニアがめったに遭遇しない 様々な課題に直面します 回路の特性には 部品の許容量,温度変動,騒音結合と配置効果小さい変更は,増幅,偏差,帯域幅,または安定性に大きな影響を与えます.
検証とチューニングプロセスは,しばしば時間がかかり,繰り返される. 設計者は,電力と温度制限の範囲内で性能を評価し,最悪の場合の許容量を考慮する必要があります.システムレベルの要件の遵守を検証する高い性能を達成するために,回路板はしばしば数回修正されます.
繰り返しのコストは長年の問題である.抵抗値やフィルタートポロジーを調整することは,通常ハードウェアを再設計することを意味します.各修正にはコスト,スケジュール,リスクが追加されます.
この後者の変化は特に破壊的です.新しいセンサー,更新されたコンプライアンス要件,または予期せぬノイズソースは,重大な再設計を余儀なくすることができます.デジタルシステムとは異なり,これらの問題は,ファームウェアのアップグレードで解決できません.柔軟性の欠如は,長い間,シミュレーションシステムに焦点を当てた構造的な制約でした.
フィールドプログラム可能なアナログ配列への紹介
FPGAは,構成可能なアナログ機能を持つ統合回路である.FPAAは固定された内部回路に依存せず,組み込みプログラム可能なアナログビルディングブロックに依存する.これらのビルディングブロックは,カスタマイズされた信号経路を形成するために相互接続することができます.
典型的なFPAA機能には,増幅,フィルタリング,統合,比較が含まれます.同じデバイスは,製品開発の異なる段階で異なる構成を実行できます.新しい機能的指向を達成するために,その目的を完全に再定義この再構成性は,FPAAの決定的な特徴です.
FPAAはしばしばFPGAと比較されるが,類似性は技術ではなく概念にある.どちらも再利用可能な機能ブロックとプログラム可能な相互接続に依存する.FPAAは連続時間アナログ領域で直接動作する.デジタルに変換することなく現実世界の信号を処理します
ハイブリッド信号システムでは,FPAAはしばしばアダプティブアナログフロントエンドとして使用される.これらのデバイスは,センサーとADC,またはDACとアクチュエータの間に位置する.デジタル処理を始める前に信号の質を向上させる.
基本アーキテクチャと構成モデル
FPAAは,デバイスのコアを形成する構成可能なアナログブロック (CAB) の周りに構築されています.これらのモジュールは,通常,アンプ,フィルター,インテグレーター,比較機各モジュールはプログラム可能で,設計者は必要回路特性を定義するために,増幅,帯域幅,オフセット条件,および限界レベルなどのパラメータを設定できます.
これらのモジュールの相互接続は,プログラム可能な相互接続 (ルーティング構造) により達成される.この構造は,信号がデバイスを通してどのように流れるかを定義し,外部ハードウェアを再設計せずに信号チェーンの再配置または拡張を可能にします.
デバイスの特定の行動は構成情報によって定義され,通常スイッチリストまたは構成メモリ形式で保存されます.この設定情報は電源アップ時にロードされ,アナログ信号経路が確立されます多くの FPAA プラットフォームは,開発中に更新したり,一部の場合,運用中に更新することを可能にする高速な再構成もサポートしています.
アナログ I/O インターフェースは,FPAA をセンサー,ADC,DAC,その他の外部コンポーネントに接続します.これらのインターフェースは,予測可能な信号レベルを確保するために特別に設計されています.安定した動作と混合信号システムとのシームレスな統合.
設計プロセスと開発の利点
FPAA開発はシミュレーションシステムの設計方法を変えます 固有機能回路を構成するために 離散的なデバイスを使用するのではなく エンジニアは直感的なシグナル動作を定義するための図面ベースの構成ツール.
設計者は,構成可能なアナログブロック (CAB) を選択し,プログラム可能な配線アーキテクチャ (図2) を介してモジュールを相互接続することによって,完全な信号リンクを作成します.主要なパラメータは,加益などこの機能により,シミュレーション設計は,手作業による不便な計算から,より迅速で柔軟な計算へと移行します.より構成可能な方法.
完全な信号リンクは,設定可能なアナログブロック (CAB) を選択して作成できます (ZOOM IN をクリックします)
図2: 構成可能なアナログブロック (CAB) を選択し,プログラム可能なケーブルアーキテクチャを通じてモジュールを相互接続することで,完全な信号チェーンが作成されます (ソース: Okika Devices)
設計が数分で更新できるので 繰り返しのサイクルがかなり速くなります エンジニアはすぐに代替案を探し 妥協を評価し継続的にパフォーマンスを向上させこの繰り返しの速度では,実際の最適化が可能で,伝統的なアナログハードウェアではしばしば不可能です. なぜなら,各変更には再設計,再構成,再テストが必要だからです.
ほとんどの FPAA プラットフォームは,オンにすると設定をロードしますが,構造化された実行をサポートするときに,動作モードの切り替えなど,いくつかの設定が再構成されます.ハードウェアを変更せずにシミュレーション機能を修正する能力は開発時間を短縮します費用を削減し,製品のライフサイクルを延長します.
実際,FPAAはソフトウェアで定義されたモデルをシミュレーション設計に組み込み,電子システムのフロントエンドの柔軟性,効率性,パフォーマンスを新しいレベルに高めています.
共通アプリケーション
センサー信号の調節
センサーインターフェースは,FPAAの主要用例である.多くのセンサーは低レベル,ノイズ,または偏差信号を生成し,デジタル化前に増幅,フィルタリング,校正を必要とする.
FPAAはこれらの機能を単一のデバイスに統合し,部品の数を削減し,設計変更を簡素化することができます.センサーの特徴が変化するか,開発する必要があるとき,信号連鎖は,再設計する代わりに再構成することができます..
これは,複数のセンサータイプや変化する要件をサポートするシステムにとって特に重要です.
ECGやEKGモニタリングは良い例です.人間の体から測定される電気信号は通常数ミリボルトのみで,動きのアーテファクト,電源線の干渉,ベースラインの変動信頼性の高い測定を達成するには,ADCに信号が入る前に正確な増幅,フィルタリング,共通モードのノイズ抑制が必要です.