よりスマートなデジタル時代におけるプログラマブル技術の重要性

モノのインターネット(IoT)が成長し続ける中、無数のワイヤレス・デバイスの相互接続性により、前例のないレベルの自動化とデータ交換がもたらされました。しかし、この巨大な相互接続されたネットワークのフロントエンドでは、データ・アクイジション・センサーが新たな課題に直面しています。弱い信号、複雑な環境干渉、さまざまなアプリケーションにわたる幅広い性能要件により、従来のセンシング技術では今日のIoTの要求に追いつくことが難しくなっています。同時に、MCUなど、これらのデバイスの大部分を駆動するコアの組み込みシステムは、サイズ、コスト、および消費電力の厳しい要件に準拠する必要があります。

幸いなことに、プログラマブル技術の出現により、スマートセンサーや組み込みシステムはこれらの課題の多くを克服することができました。この技術により、センサーの信号処理能力を強化または調整できる柔軟な設計が可能になると同時に、あらゆる条件下で大部分のデバイスがスムーズかつ効率的に動作するようになります。また、組み込みシステムの機能、消費電力、コストのバランスを改善するのにも役立ちます。

センサーの「音量ボタン」:プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)に隠されたマジックを解き明かす

センサーは日常生活に欠かせないものです。センサーは、私たちの環境、操作機械、さらにはバイタルサインの変化を常に監視している専任のタスクフォースです。しかし、これらのセンサーによって生成される信号は比較的弱く、干渉の影響を受けやすい可能性があります。プログラマブル・テクノロジーにより、プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)やプログラマブル・ゲイン計装アンプ(PGIA)などの特別なソリューションにより、これらの信号を強化し、干渉から保護することができます。

これらのセンサーを、音量を調整できるスピーカーとして想像してください。PGAとPGIAは、信号の音量を上げたり下げたりできるノブのようなもので、医療機器、スマートフォン、自動車など、信号がリンクされているデバイスが信号をより適切に受信して分析できるようにします。基本的に、アンプ内のプログラマブルなゲイン制御は、さまざまなアプリケーション・シナリオの要件に応じて自動的に調整されます。

何がユニークなのでしょうか?

• 正確さ:PGAまたはPGIAは、信号の増幅レベルを正確に制御できます。これは、医療現場や精密測定など、高精度を必要とするアプリケーションにとって特に重要です。
• 柔軟性:プログラマブルな設計により、ハードウェアを変更したり、複雑な手動調整を行ったりすることなく、要件や条件に基づいて簡単な調整を行うことができます。
• 集積化:これらのアンプは通常、シングルチップに集積されています。これにより、貴重なスペースを節約しながら、より信頼性の高いパフォーマンスを提供します。

マスターボリューム:PGA/PGIAのパフォーマンスを最適化する方法

PGAとPGIAのどちらを使用するかを決定する際に、設計者が考慮する必要がある重要な要素がいくつかあります。1つ目は応答時間です。アンプが増幅設定を変更した後、信号が安定するまでに時間がかかります。これは、急速に変化する信号や高速スキャンシステムにとって特に重要です。

第2に、精度と安定性が非常に重要です。これらのアンプは、動作温度の全範囲で正確で安定した性能を提供できなければなりません。

第3に、設計者は、回路内の軽度の静電容量や抵抗など、干渉やエラーの潜在的な原因を認識する必要があります。

マイクロチップ社のMCP6G01 SGAやRISAのISL28533のような統合型シングルチップ・アンプ・ソリューションは、これらの問題をほぼ解決し、設計上の課題を克服することができます。設計要素の適切な公差と信頼性の高い温度を慎重に調整することで、性能をさらに向上させることができます。さらに、ゲイン選択ロジックは、ホストシステムの制御を簡素化すると同時に、部品点数(BOM)を削減し、PCBスペースを節約するのに役立ちます。設計者は、ゲイン伝搬遅延や消費電力など、その他の追加的な性能指標も考慮する必要があります。設計者が適切なシングルチップ・デバイスを見つけられない場合、アナログ部品の選択がワイヤレスデバイスの性能に大きな影響を与える可能性があります。

マイクロチップのMCP6G01のブロック図は、製品で使用されるゲイン選択ロジックを示しています。(出典:マイクロチップ社)

プログラマブル・アナログ技術:組み込みシステムの未来を再定義する

センサー以外にも、スマートフォンから産業用オートメーションシステムまで、私たちが日常的に使用するほぼすべてのデバイスを制御するために組み込みシステムが使用されています。組み込みシステムは、複雑なデータレコードの処理と応答を担っており、現代の電子機器の心臓部です。

組み込みシステムは、多くの場合、アナログとデジタルの世界をつなぐ役割を果たします。これらのインターフェースは、通常、アナログ・フロント・エンド(AFE)を使用して作成されます。従来、回路の構築には、オペアンプやデータ・コンバータなど、さまざまなディスクリート・アナログ部品やIC部品が使用されていました。しかし、この従来のアプローチには、スペース、コスト、消費電力の制約があります。技術の進歩により、より効率的なソリューションを提供する統合型アナログ・マイクロコントローラ・ユニット(MCU)が開発されましたが、機能性と柔軟性は依然として限られています。

成長に対する需要の高まりは、ますます複雑化するワイヤレスデバイスと相まって、プログラマブルなアナログ集積回路の作成につながりました。プログラマブルな設計により、アナログMCUを内蔵したアナログ・ペリフェラルの最も完全なセットが可能になります。したがって、エンジニアは、継続的な開発をサポートするバランスの取れた機能を維持しながら、さまざまなアナログ機能を1つのチップに構成できます。

プログラマブルなアナログ集積回路の設計は、まだ簡単な作業ではありません。これらの集積回路は、必要なアナログ・シグナル・チェーン機能をすべて備えている必要があります。これらの機能は、センサー・インターフェイスやデータ・コンバーターなどで使用されるかどうかによって大きく異なります。アナログ・ペリフェラルの統合が限られているMCUと比較して、プログラマブル・アナログ・デバイスは複数の入力および出力チャネルをサポートできる必要があります。したがって、コンフィギュレーションを成功させるためには、新しい設計手法が必要です。

インフィニオンテクノロジーズのPSoCTMシリーズは、マイクロコントローラとプログラマブルなアナログおよびデジタルモジュールを組み合わせた先駆的な技術を採用しています。これにより、プログラマーは前例のないレベルの柔軟性を享受でき、エンジニアリングの世界にとって重要なマイルストーンとなります。これらの方法は、BOMのコストと複雑さを軽減するだけでなく、回路基板の寸法を縮小し、リアルタイムでの再構成を実現します。これは、従来の統合型MCUでは決して不可能なことでした。

インフィニオンのプログラマブル・アナログ・デバイスは、具体的にどのように機能するのでしょうか？PSoCTMデバイスを支える基盤となるフレームワークは、スイッチ・キャパシタ・アナログ・モジュールです。このデバイスは、コンデンサの充電または放電を正確に制御することにより、抵抗器、アンプ、およびその他の従来のアナログ素子の動作をシミュレートできます。この技術の利点は、物理的な占有スペースが少ないにもかかわらず、ミクロなレベルでアナログ回路を正確に制御できることです。

インフィニオンと同様に、ルネサスも独自のソリューションを開発しています。GreenPakプログラマブル・ハイブリッド信号デバイスもスイッチ・コンデンサ技術を使用しています。インフィニオンのソリューションとは異なり、ルネサスのGreenPAKシリーズはMCUを使用しない代替ソリューションです。エンジニアは、あらゆる種類のアナログおよびデジタル機能を統合できますが、マイクロコントローラの処理能力は必要ありません。また、GreenPAKソリューションは、回路基板上のスペースを節約しながら、BOMのコストと素子数を削減するという点でも優れています。

類似点があるにもかかわらず、インフィニオンとルネサスのプログラマブル・アナログ・ソリューションは、それぞれ異なる方法で実装され、使用されています。インフィニオンのPSoCTMは、高度に統合されたMCUを必要とするアプリケーションを対象としており、GreenPakはMCUコアなしでより広範なハイブリッド信号サポート機能を提供します。

結論

PGAやプログラマブルICなどのプログラマブル技術は、デジタル時代においてますます重要な役割を果たす重要な競争上の優位性を提供します。プログラマブル技術が向上するにつれて、さまざまな業界の高まる需要を満たすために、ますます正確なデータが容易に利用できるようになります。そして、センサーの信頼性が高まるにつれて、世界はますますスマートになり、より安全になります。