物联网推动 模拟设计融合数字处理器成趋势

　　模拟和混合信号半导体的市场将在未来几年中迎来重大演变。在物联网（Internet of Things， IoT）中，数以亿计的物体（无论智能与否）将变得支持IP并相互连接，这将为各式各样的设备与系统提供大量机遇，使它们能够感应、控制、驱动我们居住的物理世界和完全模拟的世界并与之通信。

　　在整个电子行业中，另一个最突出的重要趋势是交付各种能够在系统级别上降低功耗，并提高能效的解决方案。数字处理技术攻入模拟芯片设计的深奥领域能否为这些战略性趋势一一提供解答？

　　模拟设计显然是众所周知的黑魔法，将它与数字技术融合是高级混合信号设计中一个高度复杂的过程。虽然存有争议，但它在最近已变得愈加简单。简化并加速开发流程的一个重要因素是混合信号设计流程复杂度的提升，并且 EDA 工具现在允许工程师在混合信号设计中设计和仿真模拟与数字信号，同时运行C代码。

　　在过去，模拟和数字电路在设计和仿真方面始终存在不同程度的分离；而当在单个芯片中同时采用数字和模拟电路时，往往不能第一次就能实现正常工作。然而，因为新型高级设计工具，这一流程现在逐渐变得几乎可以在瞬间完成，而不是要在开发中额外花费几个星期的时间。而且，随着越来越多的商用模拟 IP 和数字库加入到这一混合阵营中，任何模拟或混合信号芯片供应商能够以几年前无法实现的方式，更轻松、更快得地开发出快速高效的设计；对于在这一领域中没有丰富经验的人员来说无疑也是如此。

　　嵌入处理功能

　　设计流程中的这些高级功能让人们可以越来越轻松地将数字处理器嵌入到模拟或混合信号设计中。例如，在设计中加入 32 位 Cortex-M0 处理器不会增加设计难度。该核心可以仅使用 12，000 个逻辑门实现，这一大小与周围模拟电路相比几乎可以忽略，因为后者大小几乎是其十倍。因此，芯片面积增加带来的额外成本相应也是较低的。

　　同时，数字子系统的加入大大提高了人们测试设备的能力—这一大优点目前还未被完全认识到。数字处理器变为一个灵活的引擎，可用于在混合信号系统级芯片（SoC） 中执行所有形式的片上测试和校准，让模拟电子的验证变得更加简单。另一大优势是系统集成度的增加，因而降低了终端系统的总体成本。客户设计中很有可能已经将独立的微控制器与模拟或混合信号芯片一同使用。模拟芯片供应商现在处于更好的位置，去提供更高程度的集成。

　　当然，这也许不会发生。例如，一些供应商可能希望将数字处理器用于片上测试功能，而不一定会开放给客户，供他们进行进一步的功能开发。但总体上，对于模拟芯片供应商而言，这是非常明了的价值主张。而且，在另一方面，领先的数字供应商正在努力利用模拟组件增强其数字处理产品组合。

　　提高能效

　　虽然这种新一代混合信号设备具备满足物联网要求的能力，需要特别注意的是，嵌入数字处理器将显著提升系统的效率和总体性能，从而大大节省功耗。

　　那么，数字技术可以做些什么来增强模拟组件的能力，从而改善系统功耗？一个具体且非常重要的例子就是电机控制，其中的电力电子元件和模拟组件显然都至关重要。数字处理器可以显著改善对电机速度和/或旋转的管理，有可能节省大约 40% 的功耗。而本例中所说的电机是工业应用中的大型设备，并不一定是玩具等低成本消费型产品中的电机。数字元件不会取代模拟元件或剔除掉模拟元件中的任何元素 - 它仅仅实现数字控制，提高总体系统的质量。

　　所以，借助这些高级功能，再加上集成潜力的增长和片上功能水平的提高，加入小巧而强大的数字处理器核心的投资回报将非常快速。

　　所有这一切的有力证据就是，嵌入数字处理功能的模拟和混合信号设备正在向市场挺进。其中一个例子是来自 Analog Devices 的一款混合信号处理器。ADSP-CMX40X拥有一个 Cortex-M4 处理器，可以使电机驱动开发人员在硅晶片中加入更多功能。该设备尤其面向工业市场中的节能型应用，可在电机驱动器、光伏逆变器和闭环伺服控制系统中实现更加精准的电机控制。第二个例子是 Infineon 的 XMC4000 系列，其中也嵌入了 Cortex-M4 处理器。此产品系列同样致力于改善工业应用中的能效。第三个例子是 Dialog Semiconductor 最近获得了 Cortex-M0 处理器的授权许可，该公司计划将它作为控制器用在一系列电源管理器件中，实现智能手机或平板电脑中的电源控制和电池管理功能。

　　未来

　　不出几年，绝大多数（至少很高比例）的模拟和混合信号芯片设计中将通过集成高性能数字处理子系统来进行控制和管理。这也将使得开发人员能够在其中加入自己的软件代码。

　　主要应用很有可能在于电机控制和电力电子元件，而现在此类应用大部分都基本上是“低能”的。为它们赋予数字智能，在电机上就有可能节省大量能源。根据最近的一个推断，电动机估计消耗全世界 40% 的电能，而其中大部分是工业电机驱动器。因此，对模拟世界施于一点数字疗法可以大幅削减电能消耗，带来显著的环境和经济效益。

　　在未来几年中，随着物联网成为更大的现实以及功耗降低需求的增高，下一代复杂模拟和混合信号电路的模型很有可能是将“模拟在外”（用于感应和驱动）和“数字在内”（控制、决策和通信）融合在一起。

　　一款高度集成和数字控制的模拟 SoC，无论其来自模拟还是数字半导体供应商，只要有可能节省 40% 的工业电机能耗，都将是极受关注的技术，在不久的将来必定会有旺盛的需求。

——本文选自电子发烧友网2月《可穿戴技术特刊》“Change the world”栏目，转载请注明出处，违者必究！