Elektrisch Programmierbares Analoges Array

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1 Elektrisch Programmierbares Analoges Array Jürgen Kampe, Marek Ponca, Uwe Heiber, Andreas Rummler,, Christiane Wisser Fachgebiet Elektronische Schaltungen und Systeme Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Ilmenau

2 Agenda 1. Einführung 2. Kommerziell verfügbare FPAAs 3. Prototyping Platform für Mixed-Signal Systeme 4. Electrical Programmable Analog Array (EPAA) 1. Architektur 2. Applikationen 3. Designsoftware 5. Gegenüberstellung der Ergebnisse 6. Zusammenfassung J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 2

3 Einführung Electrical Programmable Analog Array analoge Signalverarbeitung universell flexibel, rekonfigurierbar allg. Schaltungstechnik hoher Integrationsgrad kompakte Bauweise serielle Schnittstellen Schwerpunkte Universalität low power J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 3

4 Sensor-, Aktortechnik Einführung Applikationsfelder Signalaufbereitung Verstärkung, Offset, Linearisierung AD/DA-Wandlung analog Signalverarbeitung (signal( conditioning) aktive Filter, Multiplizierer,... Prototyping-System Erprobung des Gesamtsystems Emulation mixed signal Kleinserien-ASIC J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 4

5 Programmierbare Analoge Arrays komerziell verfügbare Arrays (keine( one time programmable): Zetex : TRAC Anadigm : FPAA Lattice : isppac Cypress : PSoC grobe Granularität vorgefertigte Funktionsblöcke Zeit-kontinuierliche oder diskrete Verarbeitung (außer PSoC) EPAA: Elektrisch Programmierbares Analoges Array feine Granularität / freie CMOS-Schaltungstechnik Schaltungstechnik sowohl Zeit-kontinuierliche als auch diskrete Signale J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 5

6 Programmierbarer Analoger Block Konfigurations- Daten Konfigurationsspeicher Vin Vout J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 8

7 Instrumentation Amplifiers (IA) differenzielle Signale hochohmige Eingänge Operational Amplifiers (OA) höhere Treiberfähigkeit skalierbare C in der Rückkopplung Komparatoren aktive Filter 1.Ordnung Hz Spannungsreferenzen Lattice - isppac PACs: : Programmable Analog Cores isppac10 J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 10

8 RDK Platform Digital I/O Konfiguration / Verifikation (USB, IEEE1394, I2C, SPI, JTAG) Analog I/O differenziell / single ended ARM TDMI 7 µc-core USB IEEE1394 PLD EPAA-2x2 AMBA GPIOs ARM ASIC Integrator Platform J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 13

9 2x2 Cluster reguläre Struktur 2 P-ZellenP Zellen,, 2 N-ZellenN Taktgeneratoren 2 je Cluster-Reihe 4 je AD/DA Reihe Programmierbarkeit EPAA-2x2 Architektur partielle Re/Konfiguration low- und high-speed Bus komplete Konfiguration ~ 8ms φ 4 φ 3 φ 2 φ 1 φ N1 P1 N1 P1 P2 N2 P2 N2 N1 P1 N1 P1 P2 N2 P2 N2 AD/DA AD/DA AD/DA AD/DA I2C / SPI / LVDS J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 15

10 22 skalierbare Elemente Transistoren aktive/passive Last Differenzpaare Stromquellen Widerstände Kondensatoren Poly-Poly Gate-Oxid Taktschemata (SC) EPAA-2x2 Bauelemente N-Zelle P-Zelle J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 16

11 EPAA-2x2 Bausteinkonzept der AD/DA-Wandler Grundkomponenten Grund- R-2R Netzwerk Teilerkaskade 8 Komparatoren I/U-Wandler Treiber,, S&H Betriebsarten 1-bit AD 3-bit AD flash 3-bit DA 8-bit DA sym./asym asym. J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 17

12 EPAA-2x2 programmierbare Parameter skalierbare Bauelemente (R, C, N-/PMOS) N W L gm Au programmierbare Fein-Struktur komplexe routing-möglichkeiten unabhängige Schaltschemata für SC Modi dynamische Rekonfigurierbarkeit on-the the-fly Rekonfiguration durch einen µc-master Filtertyp, Transferfunktion, Grenzfrequenzen Bias-Spannungen/Ströme J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 18

13 Schaltungsbeispiel zweistufiger OTA Betriebsspannung Stromaufnahme Verstärkung Slew rate Transitfrequenz Phasenrand Stromaufnahme Verstärkung Slew rate Transitfrequenz Phasenrand 3.3 V 34.6 µa 84.9 db 5.4 V/µs 2.3 MHz µa 83.1 db 12. V/µs 7.6 MHz 49.8 J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 19

14 Schaltungsbibliothek Differenzverstärker Gate-Differenzstufen OTAs einstufig Super-Mirror Folded-Cascode Zweistufig Komparatoren Mischer VCO, CCO Multiplizierer 2-Quadranten 4-Quadranten Abtaster,, S&H SC-Stufen Stufen Verstärker Integrator Differenzierer Referenzstromquellen Referenzspannungsquellen J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 20

15 EPAA-2x2 Applikationsbeispiele C/U-Wandler selektive Ionen-Messbrücke J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 21

16 C/U-Wandler J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 22

17 Selektive Ionen-Messbrücke J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 23

18 Dynamische Rekonfigurierbarkeit I. Sensoren Signalaufbereitung Anschluss verschiedener Sensoren, Signalaufbereitung wird automatisch angepasst. (Verstärkung, Pegel-Shift, Filterung) + Kompensation von Alterungseffekten Konfigurationsspeicher automatische Linearisierung der Transfercharakteristik mit Signalpegel-abhängiger µc Verstärkung J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 24

19 Sensor-seitig seitig: : IEEE smart transducer mixed-mode mode interface module MSTIM mixed-mode mode interface MSTIM MSTIM mixed-mode interface Plug-and and-play Netzwerk-seitig seitig: : IEEE smart transducer interface module STIM network capable application processor NCAP STIM TII transducer interface NCAP J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 25

20 Dynamische Rekonfigurierbarkeit II. Dual-Ton Multi-Frequenz Detektor (DTMF) DTMF Programmierbare Filter A f Gleichrichter TP Filter Konfigurationsspeicher Komparator µc aktiviert verschiedene Schmalband- Filtercharakteristika, bis der Komparator ein Ton detektiert Landesspezifische Standards durch Konfiguration µc J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 26

21 Entwurfswerkzeuge One Button Lösungen für analoge Schaltungen Filter-Entwurfsunterstützung Entwurfsunterstützung, Simulatoren und Programmierer keine externen Komponenten simulierbar Export der Netzliste nur im PAC Designer Zetex Anadigm Lattice Cypress TRAC Design tool AnadigmDesigner PAC Designer PSoC Designer J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 27

22 Java: Unix, MS, OS/2 Arbeitsstand: Corona: Physical Editor manuelles/automatisches P&R (Physical/Schematic) Export der Konfiguration weiterführende Arbeiten Functional block creator Direct reconfiguration SPICE Simulator Charakterisierung der Blöcke, Pfade J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 29

23 Corona: Physical Editor Wilson-Spiegel J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 30

24 Corona: Schematic Editor J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 32

25 Corona: Place-and and-route Abbilden des Schaltplans auf den EPAA Partitionierung der Schaltung Plazieren der Bauelemente Routing der Verbindungen J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 33

26 Schematic Editor: nach P&R J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 34

27 EPAA-2x2 Eigenschaften Technologie: Alcatel 0.5µm CMOS (6.25 x 5.50 mm²) skalierbare Bauelemente AD/DA Wandler R: kΩ, C: pF W: µm (P), µm (N) 8-bit DAC asymmetrisch, symmetrisch, negativ asymmetrisch 3-bit DAC, 3-bit ADC Single/Dual-Slope, SAR, Σ, Pipelined 3/6/9/12-bit ADC Zeitkontinuierliche und/oder -diskrete Arbeitsweise programmierbare Taktsignale (SC) direkt: ~100 Hz 4 MHz, abgeleitet: bis auf ~ Hz (min 10-18Hz) 8 verschiedene Tastverhältnisse 2x in Clusterreihe, 4x in AD/DA Reihe (+ invertiert) J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 37

28 Ergebnisse Signal-Typ Versorgung Spannung, Stromaufn. Verstärkung OA Bandwidth Zetex TRAC020LH CT 3V, 5mA <= 700 <= 12 MHz Anadigm AN220E04 SC 5V, 20mA MHz Lattice isppac80 CT 5V, 33mA {1, 2, 5, 10} khz Cypress CY8C27x SC, CT 3V 5.25 V, 5mA (µc sleep 4µA) 4 80 db MHz TU Ilmenau EPAA-2x2 SC, CT 3.3V, <15mA db MHz J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 38

29 Zusammenfassung Defizit an programmierbarer analoger Hardware in-circuit Rekonfigurierbarkeit erlaubt breiteres Applikations-Spektrum rapid prototyping erfordert eine integrierte Entwurfsumgebung RDK kurze Designzyklen feine Granularität erweitert Applikationsfelder Platform-unabhängige Entwicklungsumgebung Corona J. Kampe, M. Ponca. Technische Universität Ilmenau. 39