Che cosa è accaduto ai dispositivi analogici "programmabili"?

Ho ricevuto di recente via LinkedIn una mail da qualcuno che mi chiedeva aggiornamenti su un argomento che avevo trattato in un articolo del lontano 2001. Quando si parla del passato che ritorna! L'articolo si occupava di dispositivi analogici programmabili e prendeva in esame una diversa opzione progettuale per la funzionalità della catena dei segnali analogici.

Visto che uno dei maggiori rimproveri che esprimo attualmente ai media è la mancata attenzione all'evolversi delle storie — al racconto drammatico e dal vivo dell'arresto molto raramente fa seguito il resoconto del processo — e visto che l'articolo risale a ben vent'anni fa, ho ritenuto utile ritornare sull'argomento.

Ma prima di tutto occorre una definizione che sgombri in campo da equivoci. Sul mercato vi sono molti CI analogici programmabili in cui l'utente può impostare alcuni parametri operativi o funzioni come la larghezza di banda o la frequenza di campionamento tramite pin-strap, resistori discreti o software pilotato da una porta I²C/SPI. Tuttavia non è a ciò che mi riferisco con il termine "programmabili" in questo contesto.

Intendo piuttosto il completamento analogico del gate array programmabile su campo (FPGA), un componente che dispone di una vasta gamma di gate e di funzioni digitali non vincolate che possono essere interconnessi secondo necessità per creare la topologia circuitale finale, dando vita a sistemi digitali estremamente complessi. I FPGA con oltre un milione di gate sono comuni ai nostri giorni. Il fatto che i FPGA abbiano acquisito molta importanza non è in discussione, per ragioni che non devo spiegare a chi mi legge, e nuovi prodotti vengono presentati di continuo.

Figura 1: Il dispositivo FPGA T4F81C di Efinix è realizzato con la tecnologia SMIC da 40 nm e fa registrare una dispersione core tipica inferiore a 150 µA a 1,1 V. (Immagine per gentile concessione di Efinix)

Una proposta recente è il T4F81C2 Trion™ di Efinix. L'FPGA è basato sul processo a 40 nm di SMIC e viene fornito in un contenitore BGA a 81 sfere (Figura 1).

Il modello T4F81C offre l'alta densità e i bassi consumi del tessuto Quantum™ di Efinix avvolto insieme all'interfaccia I/O in un contenitore a ingombro compatto. Si rivolge ai mercati della telefonia mobile, dei beni di largo consumo e di punta dell'IoT che necessitano di efficienza energetica, costi ridotti e di un fattore di forma compatto. Tra le caratteristiche salienti del T4F81C:

• Basato sul processo a 40 nm di SMIC
• Ha una corrente di dispersione core tipica inferiore a 150 µA a 1,1 V
• Offre I/O ad alte prestazioni che supportano standard a terminazione singola e interfacce per I/O da 1,8 V, 2,5 V e 3,3 V
• Fornisce flessibile temporizzazione su chip
• Dispone di opzioni di configurazione del dispositivo incluse le interfacce SPI e JTAG standard

L'introduzione dei dispositivi FPGA continuerà seguendo l'evoluzione della tecnologia e le sue risposte a nuovi requisiti e applicazioni, ma non molti dispositivi analogici programmabili si sono affermati di recente.

Sembrerebbero una buona idea, perciò, qual è il problema?

A prima vista, parrebbe che di un CI analogico con numerose funzioni analogiche non vincolate vi sia bisogno. In teoria, potrebbe fornire l'intera catena dei segnali analogici per l'interfaccia dei sensori, il condizionamento del segnale, il filtraggio e persino l'I/O a un processore host, giusto per fare un esempio. Si potrebbe persino pensare di configurare questo array analogico programmabile sul campo (FPAA) nella linea di produzione OEM in modo che possa fornire le funzioni necessarie a diversi prodotti all'interno di una famiglia o di una serie, consentendo di avere un'unica distinta base per più prodotti. Inoltre, eventuali modifiche della funzionalità della catena analogica potrebbero venire implementate senza il temuto aggiornamento della scheda CS, con i ritardi e le incertezze del caso.

Il fatto è che i dispositivi analogici programmabili di questo tipo non hanno fatto molta breccia nella comunità dei progettisti. Se getto lo sguardo sui fornitori che ho citato nell'articolo del 2001, alcuni non esistono più, altri sono stati assorbiti da altre aziende di CI. Si tratta di una situazione abbastanza normale nel settore e di per sé non degna di nota, ma la cosa che colpisce è che nessuno ha raggiunto una presenza dominante nel mercato. Questa classe di prodotti, posto che sia ancora disponibile, ha una presenza molto defilata; non mi capita di sentire progettisti che pensano a un dispositivo analogico programmabile come soluzione per le loro esigenze in fatto di catena dei segnali.

Perché i dispositivi analogici programmabili non hanno preso piede? Penso che la ragione risieda nella natura intrinseca ed ineliminabile della circuiteria analogica e delle funzioni che offre. Se si guarda alle funzioni di costruzione di blocchi analogici più basilari come gli amplificatori operazionali e i comparatori, il portafoglio della maggior parte dei fornitori ne offre a decine o persino a centinaia (si rimanda a "Mi gira la testa: perché così tanti amplificatori operazionali?"). Il motivo è che ogni modello viene perfezionato nel corso del processo di progettazione e di fabbricazione e in fase di test/rifinitura per offrire una combinazione esclusiva di qualità prestazionali. Un amplificatore operazionale, ad esempio, può avere prestazioni eccezionali in fatto di basso rumore ma più deriva di offset rispetto a un altro simile che ha un rumore più elevato.

Compromessi su tutti i fronti

Il progettista deve valutare i compromessi e decidere qual prezzo può pagare in termini di prestazioni per ottenere i risultati che vuole secondo la sua scala di priorità. Alcuni amplificatori operazionali proporranno combinazioni diverse per ciò che riguarda le specifiche statiche e dinamiche chiave, con valori eccezionali in uno o due settori e così-così altrove; altri dispositivi dello stesso tipo potranno invece essere "sufficientemente buoni" in quasi tutti i settori ma non realmente eccezionali in uno solo. Perciò, qual è quello giusto per il vostro progetto?

Come sempre accade, la risposta è "Dipende", a seconda delle priorità progettuali e della valutazione dei compromessi. Pensate alla quantità di parametri utilizzati per valutare gli amplificatori operazionali basilari come la velocità, l'offset di tensione, la corrente di polarizzazione, la deriva di temperatura, la larghezza di banda, il rumore, la dissipazione, il guadagno, la capacità di pilotaggio, l'intervallo di tensione... come vi sarete resi conto, l'elenco è lungo.

Inoltre, se fate un passo indietro e guardate l'insieme, a differenza di quanto accade nel mondo digitale del FPGA, parecchie catene di segnali analogici semplicemente non hanno molti blocchi funzionali e quelle che li hanno sono radicalmente diverse tra di loro. Le caratteristiche critiche del blocco analogico cambiano a seconda della posizione del segnale: ciò che serve in un'interfaccia per i sensori non è ciò che serve per il filtro passa banda, per pilotare un carico o per l'I/O del processore.

Prendete in considerazione, ad esempio, AD5940 di Analog Devices, un CI di nicchia che offre un'impedenza di elevata precisione e un front-end elettrochimico per l'allestimento di laboratori chimici (Figura 2). AD5940 contiene un gran numero di funzioni analogiche e digitali, ma le prime sono quelle più varie, con specifiche attentamente predisposte per la compatibilità con i sensori elettrochimici che supportano.

Figura 2: Lo schema a blocchi semplificato del AD5940. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per quanto dotato di un convertitore analogico/digitale (ADC) e persino di un microcontroller per la gestione interna, il progetto ha la sua parte più sensibile nella sezione che si interfaccia con gli elettrodi speciali per laboratorio dei potenziostati, inclusi gli amplificatori operazionali con corrente di polarizzazione prossima allo zero e amplificatori a guadagno programmabile (PGA). Le funzioni analogiche di un FPAA ad uso più generale non avrebbero bisogno di caratteristiche di sensibilità.

Conclusione

Nonostante l'iniziale interesse a livello teorico, la realtà è che un array generale di blocchi analogici non è in grado di soddisfare le diverse esigenze di molte applicazioni. I compromessi sarebbero difficilmente accettabili, a fronte di benefici reali in tema di complessità della distinta base, di spazio sulla scheda CS e di altri fattori di progettazione non sufficienti a giustificarli.

L'approccio migliore nella maggior parte dei progetti analogici continua ad essere l'uso di qualche CI, in genere di tipo diverso, accuratamente scelto in base alla sua appropriatezza a ciascuna parte della catena dei segnali. Le buone notizie? Le buone scelte per ogni fase della catena non mancano.