類比技術在物聯網設計中的重要性日益顯著

2023-03-21
作者 Majeed Ahmad,EDN主編

物聯網(IoT)的類比部份一直都存在,然而設計工程師們直到最近幾年才了解,它在讓物聯網系統強韌,以及可靠方面扮演了重要角色…

物聯網(IoT)的類比部份一直都存在,然而設計工程師們直到最近幾年才了解,它在讓物聯網系統強韌,以及可靠方面扮演了重要角色。

過去物聯網工程師主要關注物聯網的數位部份,直到他們發現,如果處理器或是微控制器(MCU)沒有從感測器前端取得正確資訊,因為設計不良的類比前端所得到的錯誤假設,做出的任何決策也不會精確。換句話說,訊號鏈路徑內的決策與環境中所發生的事情息息相關並且一致;因此,擁有可以讀取並準確轉譯來自感測元件資料的訊號鏈至關重要。

在這種情況下,設計工程師需要精確、低雜訊、精密且高速的IC,來設計可靠、耐用的物聯網系統,以感測真實世界並做出決策或建議,避免像是設備故障等問題,並因此可望提高建築、工廠等等系統的運作效率。

德州儀器(TI)建築自動化部門總經理Giovanni Campanella表示,像是感測器、放大器、類比數位轉換器(ADC)等新一代的類比IC,現在的設計都是為了滿足這類需求並改善物聯網系統;他亦強調,無論是類比或數位部份,創新正以相同的速度發生。

Campanella指出:「在類比部份,感測器訊號與處理器、放大器、ADC、數位類比轉換器(DAC)與收發器之間的調節通訊相當重要,能確保正確資訊在恰當時間被處理器感測、讀取與傳輸。」

 

圖1:類比與混合訊號解決方案在物聯網裝置中扮演要角,範圍從感測器到微控制器。

(來源:德州儀器)

 

雖然類比電路明顯能比數位電路更有效執行特定電子運作,類比與混合訊號電路如何助力物聯網設計?首先,它們在讓數位電子裝置與真實世界情況的互動上至關重要。

類比技術扮演橋樑角色

隨著物聯網應用中的感測器與致動器不斷增加,類比與混合訊號電路在將感測器、致動器橋接到電子系統方面,變得越來越重要。因此,物聯網應用正帶動類比/混合訊號與連結、安全性與智慧邊緣處理等功能之間的更高階整合。英飛凌(Infineon Technologies)物聯網、運算與無線產品部門執行副總裁Sam Geha舉了一個將藍牙(Bluetooth)連結功能整合到馬達控制系統的案例,後者就是一個複雜的混合訊號系統。

Microchip的8位元MCU業務部門行銷副總裁Greg Robinson則指向另一個物聯網設計的重要角度──物聯網節點數量持續增加。「在IoT網路變得越來越複雜的同時,在經濟上卻需要更小、更便宜的節點;」他表示:「要滿足這些相悖需求的一個方法,是透過將更多類比功能區塊加進小型、省成本的微控制器,來增加類比與數位訊號的混合。」

除了提供獨立的混合訊號元件,Microchip也推出具備高階類比功能的微控制器,擴展了能以單晶片設計所實現的應用種類。Robinson指出,這通常能降低每一個節點的成本,也能實現大規模的物聯網部署。

物聯網類比功能區塊

Robinson表示,類比功能區塊的擴展是因為幾乎每一個物聯網節點,都與感測環境的某些方面相關。「因此,幾乎所有物聯網節點都需要讀取感測器資料、以某種方式進行處理,並透過網路來通訊;」他進一步解釋:「而提供類比輸出的感測器,可能需要資料在被處理之前放大或是過濾,」這也是配備晶片上運算放大器的微控制器能提供優勢的地方。

數位輸出感測器可能也需要I/O電位轉換,以介接數位電路。這是因為在大多數的案例中,設計工程師會需要將類比訊號轉換為數位,反之亦然;針對這類任務,晶片上的ADC或DAC關鍵功能區塊是聰明作法。此外,如Robinson指出,觸控感測成為具備使用者介面的物聯網節點越來越常見之功能,這也是先進的晶片上ADC非常適合之應用案例。

英飛凌的Geha也認為,資料轉換器是至關重要的類比功能區塊。「ADC是量化類比訊號的關鍵,因此它們能進行數位化處理;而DAC是將來自微控制器之數位訊號轉換為類比訊號,以驅動致動器的關鍵。」

Geha舉了一個智慧家庭應用的語音助理案例,其中來自麥克風與揚聲器的音訊基本上是類比訊號,必須以ADC與DAC相互轉換,以支援人工智慧(AI)、智慧處理,以及行動。「在一個高度整合的語音助理解決方案中,低功耗類比/混合訊號電路與低功耗邊緣處理方案的結合,能提供事件喚醒功能,以節省語音助理裝置產品的電力。」

 

圖2:物聯網應用推升了晶片設計中的類比整合程度。

(來源:Synopsys)

 

Geha也提及,執行微控制器需要以鎖相迴路(PLL)產生時脈,還有可變增益放大器與濾波器,以實現物聯網感測器與致動器的最佳化與耐用性。開關電源也對於讓物聯網系統有效利用電源、以朝向實現碳中和目標相當重要;在此同時,用於特定類比設計的射頻(RF)電路,是實現物聯網資料傳輸的重要推手。

邊緣應用的類比技術

物聯網是一個應用廣泛的產業,因此更多設計前的想法不只聚焦安全性,還有與類比技術耐用性相關的可靠度──特別是在汽車應用上的要求。對此Synopsys物聯網策略行銷經理Ron Lowman表示,「我們預期在接下來幾年,將看到類比技術逐步被採用。」

此外他也指出,隨著物聯網解決方案轉移至更新的節點,我們也會看到各家業者針對人工智慧應用,更專注於在處理器上利用記憶體技術與類比技術特性。將類比技術與邊緣處理方案結合,以最佳化電源使用,就是一個基於類比系統如何補強物聯網設計的最佳案例。

(參考原文:Analog Bridges Digital Electronics in IoT Designs,by Majeed Ahmad)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20233月號

 

 

 

 

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