Processori e controllori sono il nucleo centrale di elaborazione in tutte le applicazioni di controllo embedded. Questi dispositivi sono stati progettati per garantire un elevato livello di controllo, connettività e sicurezza al fine di ridurre le esigenze in termini di memoria, la dissipazione di potenza, le dimensioni della scheda e i costi in un gran numero di sistemi finiti. Senza dimenticare che i progettisti di sistemi si aspettano qualcosa in più rispetto a un semplice aumento delle prestazioni delle Cpu. Essi infatti sono alla ricerca di soluzioni di sistema capaci da un lato di fornire su base continuativa miglioramenti a livello di ampiezza di banda della Cpu e dall’altro di supportare le numerose funzionalità analogiche esterne ad alte prestazioni.
I controllori per la gestione della potenza a elevato livello di integrazione che abbinano diversi regolatori a commutazione e LDO sono una presenza comune nei processori applicativi e nei controllori embedded. La capacità di “programmare” più regolatori per mezzo per tradizionale bus I2C che supporta la gestione dinamica della potenza rappresenta la modalità più avanzata per ridurre i consumi di potenza del processore in particolar modo nelle applicazioni che prevedono la presenza di batterie. Mentre i tradizionali dispositivi per la gestione della potenza, come la più recente generazione di Simple Switcher, continuano a rivestire un ruolo fondamentale nell’alimentazione di controllori embedded, Fpga e processori applicativi, un numero sempre maggiore di sistemi destinati ad applicazioni per alti volumi sta adottando unità per la gestione della potenza (Pmu – Power Management Unit) ancora più integrate ed efficienti. National Semiconductor rende già disponibili queste unità per un numero veramente elevato di controllori embedded e processori application-specific di aziende leader quali Intel, Marvell, Freescale e Samsung, oltre che per dispositivi di diversi integratori che sfruttano l’architettura ARM.
La gestione della potenza tuttavia, è solo una parte della soluzione nel caso della progettazione di sistemi embedded. È necessario prendere in considerazione il percorso del segnale analogico in modo da garantire che la maggior parte dei prodotti analogici specifici per una data applicazione vengano integrati nel progetto a livello di sistema. Il progetto relativo a qualsiasi percorso del segnale deve tener conto del flusso dei segnali dalla fonte (che può essere un sensore oppure una sorgente di segnale) al dominio digitale dove viene intrapresa l’elaborazione del segnale reale. Adattamento di impedenza, riduzione del rumore, buffering e guadagno del segnale di ingresso sono solamente alcuni dei parametri del sistema che è necessario tenere in considerazione prima di inoltrare i segnali verso il convertitore A/D.
Nella scelta dei convertitori A/D per una data applicazione è necessario prendere in esame un certo numero di fattori. Il primo è la risoluzione del convertitore, che influenza la precisione del sistema complessivo. La precisione è influenzata in maniera sensibile sia dall’implementazione del progetto del convertitore stesso sia dal fatto che si tratti di applicazioni ad alta velocità (con frequenze di campionamento superiori a 1 MSPS) oppure di tipo general purpose (dove le frequenze di campionamento sono inferiori). Solitamente, nei percorsi del segnale ad alta frequenza il fattore limitante è rappresentato dal convertitore A/D e/o dall’amplificatore. Per tale ragione la scelta di questi due componenti richiede una notevole attenzione. L’integrazione di un convertitore A/D in un percorso di segnale a elevata velocità richiede un accurato esame della progettazione del front end analogico e dell’interfaccia del ricevitore digitale. Per quanto riguarda il front end, vi sono importanti elementi da prendere in considerazione come ad esempio l’adattamento dell’impedenza e il filtraggio del segnale di ingresso. Per quanto concerne l’interfaccia digitale, l’effetto della capacità di carico è un fattore da tenere nella massima considerazione.
Gli amplificatori ad alta velocità completamente differenziali rappresenta la scelta ottimale per il pilotaggio di convertitori A/D con risoluzione compresa tra 8 e 14 bit solitamente utilizzati nelle apparecchiature telecom e nei sistemi di controllo industriale. Grazie a una topologia a retroazione di tensione completamente differenziale, assicurano ingressi bilanciati per i convertitori A/D e possono essere utilizzati per applicazioni di tipo single-ended/differenziale e differenziale/differenziale. Essi sono inoltre in grado di gestire i livelli di corrente necessari per il pilotaggio di segnali su linee di trasmissione bilanciate come cavi di categorie CAT-5. Questi amplificatori possono gestire una molteplicità di formati dati e video e sono stati esplicitamente progettati per garantire un’amplificazione a bassa distorsione in presenza di segnali differenziali a estesa ampiezza di banda in modo da contribuire a bilanciare l’ingresso per il convertitori A/D differenziale, ottimizzando le prestazioni complessive del convertitore stesso.
I sensori di temperatura digitali vengono tipicamente impiegati in tutte le applicazioni caratterizzati dalla presenza di più processori e/o FPGA, dove è richiesto un accurato monitoraggio delle temperature del die, della scheda e dello chassis.
Parecchi degli attuali controllori e processori embedded integrano controllori MAC (Media Access Controller) per Ethernet a 10/100 Mbps che richiedono un’interfaccia fisica verso Internet. Le interfacce Ethernet di National Semiconductor prevedono transceiver Ethernet 10/100 singoli e doppi caratterizzati da sensibili riduzioni dei consumi grazie alla presenza di numerose modalità di power down “intelligenti”. Una di queste rileva i periodi nei quali manca l’energia sulla linea e fa entrare l’interfaccia in modalità “sleep”. Una modalità di alimentazione “intelligente” è accessibile attraverso un registro o un pin in modo che l’applicazione possa alimentare o togliere l’alimentazione al dispositivo.
Il funzionamento con bassi valori di alimentazione permette di incrementare l’affidabilità complessiva del prodotto a causa della diminuzione dei consumi. Queste interfacce Ethernet, inoltre, sono ottimizzate per garantire elevate prestazioni – superiori a quelle previste dalle specifiche IEEE – per cavi di diverse lunghezze e possono operare negli intervalli di temperatura commerciale e industriale.
La richiesta di una sempre maggiore potenza di elaborazione e la presenza di funzioni analogiche esterne al chip che assicurano prestazioni spinte contribuiranno a fissare nuovi limiti in termini di rapporto prezzo/prestazioni e superare le più rosee aspettative del mercato.
Le soluzioni analogiche di National Semiconductor sono esplicitamente progettate per contribuire a colmare qualsiasi lacuna nelle prestazioni del sistema, in quanto mettono a disposizione soluzioni per il percorso del segnale analogico e per la gestione della potenza a costi decisamente competitivi e contribuiscono contempo a migliorare le prestazioni del sistema a partire dal nucleo di elaborazione stesso.
The heart of all data crunching in embedded control applications are the processors and controllers. These have been designed to offer a high level of control, connectivity, and security to reduce memory requirements, power dissipation, system board size and cost in a large number of end applications. In addition to this, system designers nowadays expect more than just flawless CPU performance. Fact is, they now expect system solutions to continually provide improvements in CPU bandwidth tightly coupled with the various external high performance analog capabilities.
Highly integrated Power Management controllers combining numerous switching and linear dropout (LDO) regulators are nowadays becoming the norm for embedded controllers and application processors. The ability to “program” multiple regulators ac
ross the tradional I2C bus supporting dynamic voltage management is the way forward in reducing power consumption of the processor particularly for battery backed applications. While traditional power management offerings such as the latest generation of simple switchers continue to play a significant role in powering embedded controllers, FPGAs and application processors, it is also expected that a number of the broad market systems will migrate towards more integrated, higher efficiency flexible power management units (PMUs) to really exploit the performance advantages of the leading edge digital domain players and their end products. National already support PMUs for an impressive line-up of embedded controllers and application specific processors including Intel, Marvell, Freescale, Samsung plus many of the ARM based integrators.
Power management is, however, only part of the problem. The analog signal path must also be addressed to ensure that the most application specific analog products are being incorporated into any system level design. The design of any signal path must take into consideration the flow of signals from its source (whether it is a sensor or a signal source) into the digital world where the real signal processing is undertaken. Impedance matching, noise reduction, buffering and input signal gain are just a few of the system parameters that must be taken into consideration before feeding such signals into an A/D converter.
The selection of an external A/D Converters for any given end application must take into consideration a number of factors. First, the resolution of the converter must be addressed and typically it will dictate the resultant system accuracy. This accuracy is also heavily dependent on the implementation of the A/D design itself and whether it is intended for a high speed applications with sampling frequencies >1 MSPS or general-purpose applications with far lower sampling frequencies. Normally, it is the A/D and/or the amplifier that limits the performance factor in high-frequency signal paths. For this reason, the selection of the A/D and amplifier usually command considerable attention. Properly designing an A/D into a high-speed signal path requires paying careful attention to the design of the analog front end and digital receive interface. There are numerous important considerations on the front-end such as impedance matching and input signal filtering. On the digital interface, the effect of load capacitance is also very important
Fully differential high-speed Amplifiers are the optimal choice for driving 8 to 14 bit A/Ds that are typically found in the industrial control and telecom equipment. With fully differential voltage-feedback topology, they allow balanced inputs to A/Ds and can be used as single-ended-to-differential or differential-to-differential. They also have the current handling capability to drive signals over balanced transmission lines such as CAT-5 cables. They can handle a wide range of video and data formats and are designed to provide low-distortion amplification to wide bandwidth differential signals helping to balance the input-to-differential A/Ds, maximizing the overall performance of the A/D itself.
System friendly digital Temperature Sensors are typically found in applications featuring multiple processors and/or FPGAs where the die temperatures and pcb/chassis temperatures need to be accurately monitored.
Many embedded processors and controllers nowadays offer integrated 10/100Mbps Ethernet Media Access Controllers (MACs) which require a physical interface to the internet. This is where the Ethernet Interfaces from National features since the single and dual 10/100 ethernet transceivers offer low power consumption, including several intelligent power down states. One of the intelligent power modes senses when there is no energy on the line and can place the interface into a sleep mode. Another power mode is accessible via a register or pin such that the application can power the device up or down. Offering low power increases overall product reliability due to decreased power dissipation. In addition to low power, these ethernet interfaces are both highly optimized for cable length performance far exceeding IEEE specifications and support both commercial and industrial temperature ranges.
The need for more processing power and high performance off-chip analog functions will no doubt continue to develop pushing the system price/performance boundaries towards ever more aggressive market expectations. These are all testament to an ongoing philosophy where National’s high performance analog helps to compliment any system performance gap by providing power management and analog signal path solutions at a far lower system cost and enabling overall improvements in system performance from the processing core itself.