Qu'est-il arrivé à la technologie analogique « programmable » ?

J'ai reçu récemment, via LinkedIn, un e-mail concernant un article que j'avais écrit en 2001. Son auteur m'interrogeait sur l'évolution de la situation. Sacré retour vers le passé ! L'article était consacré à la technologie analogique programmable et examinait une option de conception différente pour les fonctionnalités des chaînes de signaux analogiques.

Étant donné que l'une de mes nombreuses sources d'agacement du moment concernant les médias généralistes est le manque de suivi des actualités (informations dramatiques en direct concernant une arrestation, mais verdict du procès souvent passé sous silence) et comme il s'est passé presque 20 ans depuis la publication de l'article, il m'a semblé intéressant de revenir sur le sujet.

Avant toute chose, une clarification s'impose. Il existe de nombreux circuits intégrés analogiques programmables permettant à l'utilisateur de définir certaines fonctions ou certains paramètres opérationnels, comme la bande passante ou le taux d'échantillonnage, à l'aide d'un pontage de broches, de résistances discrètes ou d'un logiciel commandé via un port I²C/SPI. Cependant, ce n'est pas ce que je sous-entends par « programmable » dans ce contexte.

Je fais plutôt référence au composant analogique destiné à compléter le FPGA (réseau de portes programmables par l'utilisateur), un composant présentant un vaste réseau de fonctions et de portes numériques non affectées. Celles-ci peuvent être interconnectées au besoin afin de créer la topologie de circuit finale et ainsi fournir des systèmes numériques extrêmement complexes. Les FPGA comptant plus d'un million de portes sont désormais courants. Il ne fait aucun doute que les FPGA sont devenus un acteur majeur, pour des raisons qu'il est inutile de vous expliquer, et de nouveaux produits ne cessent d'être lancés.

Figure 1 : Le FPGA T4F81C d'Efinix repose sur le procédé 40 nanomètres (nm) de SMIC et présente une fuite de noyau typique inférieure à 150 microampères (µA) à 1,1 volt (V). (Source de l'image : Efinix)

Le T4F81C2 Trion™ a récemment été lancé par Efinix. Ce FPGA repose sur le procédé 40 nm de SMIC et est fourni dans un boîtier BGA à 81 billes (Figure 1).

Le T4F81C est doté du matériau Quantum™ haute densité et basse consommation d'Efinix, avec une interface E/S dans un boîtier à empreinte réduite. Il cible les marchés mobiles, grand public et IoT en quête de basse consommation, de faible coût et de format compact. Voici les points forts du T4F81C :

• Il est basé sur le procédé 40 nm de SMIC
• Il présente un courant de fuite de noyau typique inférieur à 150 µA à 1,1 V
• Il comprend des E/S hautes performances prenant en charge des normes et interfaces E/S asymétriques de 1,8 V, 2,5 V et 3,3 V
• Il fournit un cadencement intégré flexible
• Il offre des options de configuration périphériques, notamment des interfaces SPI et JTAG standard

De nouveaux FPGA continueront de voir le jour à mesure que la technologie continuera d'évoluer et de répondre à des exigences et à des applications de plus en plus diverses, mais peu de dispositifs analogiques programmables ont émergé ces derniers temps.

Cela semble être une bonne idée, alors quoi ?

Un circuit intégré analogue présentant de nombreuses fonctions analogiques non affectées peut paraître attrayant. Théoriquement, il pourrait fournir l'ensemble de la chaîne de signaux analogiques pour l'interface de capteur, la mise en forme des signaux, le filtrage et même les E/S d'un processeur hôte (par exemple). Ce réseau analogique programmable par l'utilisateur (FPAA) pourrait même être configuré au niveau de la ligne de production du fabricant OEM afin de fournir les fonctions nécessaires à différents produits au sein d'une gamme ou d'une série. La nomenclature serait ainsi commune à plusieurs produits. En outre, si des modifications devaient être apportées à la fonctionnalité analogique de la chaîne, elles pourraient être implémentées sans la redoutée mise à jour de la carte à circuit imprimé, et les retards et incertitudes associés.

La réalité est que ce type de technologie analogique programmable n'a pas vraiment fonctionné auprès de la communauté de conception d'ingénierie. En recherchant les fournisseurs cités dans mon article de 2001, j'ai constaté que certains avaient disparu et que d'autres avaient été absorbés par d'autres entreprises spécialisées dans les circuits intégrés (ce qui n'est pas vraiment exceptionnel dans ce secteur), mais qu'aucun n'avait développé d'omniprésence sur le marché. Pour autant qu'elle soit toujours disponible, cette catégorie de produits reste très discrète : je n'entends jamais parler de concepteurs à la recherche de composants analogiques programmables en tant que solution possible pour leurs besoins en chaînes de signaux.

Pourquoi la technologie analogique programmable n'est-elle pas devenue populaire ? Je pense que la réponse réside dans la nature inhérente et inévitable des circuits analogiques et dans les fonctionnalités qu'ils offrent. Si vous examinez les fonctionnalités des blocs fonctionnels analogiques les plus basiques, comme les amplificateurs opérationnels et les comparateurs, la plupart des fournisseurs en proposent des dizaines voire des centaines dans leur portefeuille (voir l'article de blog « J'ai le vertige : pourquoi tant d'amplificateurs opérationnels ? »). La raison est simple : chaque modèle est réglé par la conception, le processus de fabrication et les tests/ajustements afin de fournir une combinaison unique d'attributs de performances. Un amplificateur opérationnel, par exemple, peut présenter des performances exceptionnelles en matière de faible bruit, mais une dérive de décalage supérieure à un amplificateur quasiment similaire au niveau de bruit plus élevé.

De l'importance des compromis multidimensionnels

Le concepteur doit évaluer les compromis et décider du prix à payer afin d'obtenir les performances désirées selon ses priorités. D'autres amplificateurs opérationnels offriront différentes combinaisons de spécifications statiques et dynamiques clés. Certains seront ainsi exceptionnels dans un ou deux domaines, mais plutôt moyens dans d'autres domaines. D'autres dispositifs pourront être « plutôt bons » dans la plupart des spécifications, sans être véritablement excellents dans aucune. Comment choisir « le bon » pour votre conception ?

Comme toujours, la réponse est « cela dépend », en fonction du classement des priorités de conception et de la pondération des compromis. Pensez aux nombreux paramètres utilisés pour évaluer les amplificateurs opérationnels basiques, comme la vitesse, les décalages de tension, le courant de polarisation, la dérive de température, la bande passante, le bruit, la dissipation, le gain, la capacité d'attaque, la plage de tensions… Vous voyez où je veux en venir : la liste est très longue.

En outre, si vous prenez du recul et envisagez la situation dans son ensemble, contrairement au monde numérique des FPGA, la plupart des chaînes de signaux analogiques présentent peu de blocs fonctionnels, et ceux dont elles disposent sont généralement très différents les uns des autres. Les caractéristiques essentielles du bloc analogique changent selon l'emplacement du signal : ce dont vous avez besoin pour une interface de capteur ne correspond pas à ce dont vous avez besoin au niveau du filtre passe-bande, pour commander une charge ou pour les E/S du processeur.

Par exemple, prenons le modèle AD5940 d'Analog Devices, un circuit intégré de niche qui fournit une impédance haute précision et un circuit d'entrée électrochimique pour les installations dans des laboratoires chimiques (Figure 2). L'AD5940 comprend un grand nombre de fonctionnalités analogiques et numériques, les premières étant les plus variées, avec des spécifications soigneusement établies pour être compatibles avec les capteurs électrochimiques qu'elles prennent en charge.

Figure 2 : Schéma fonctionnel simplifié de l'AD5940. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien qu'il dispose d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) interne et même d'un microcontrôleur pour la gestion interne, la partie la plus sensible de la conception est la section qui communique avec les électrodes de laboratoire spécialisées des potentiostats, notamment les amplificateurs opérationnels dont le courant de polarisation est proche de zéro et les amplificateurs à gain programmable (PGA). Les fonctionnalités analogiques au sein d'un FPAA plus général ne disposeraient pas des caractéristiques sensibles nécessaires.

Conclusion

Malgré son charme initial sur le principe, la réalité est qu'un réseau général de blocs analogiques ne peut pas répondre aux divers besoins de nombreuses applications. Les compromis à faire ne seraient pas acceptables, tandis que les véritables avantages quant à la complexité de la nomenclature, à l'espace sur la carte à circuit imprimé et à d'autres facteurs de conception ne seraient pas suffisants pour envisager cette solution.

Pour la plupart des conceptions analogiques, la meilleure approche consiste à choisir soigneusement quelques circuits intégrés (généralement différents) pour correspondre au mieux à chaque partie de la chaîne de signaux. La bonne nouvelle ? Les bons choix ne manquent pas à chaque étape de cette chaîne.