I produttori di circuiti integrati analogici sono da tempo consapevoli del fatto che, sotto numerosi punti di vista, la progettazione analogica è tanto una scienza quanto una forma d'arte. Fin quasi dall'inizio, aziende come Burr-Brown e National Semiconductor (ora entrambe confluite in Texas Instruments) hanno prodotto importanti pubblicazioni e note applicative al fine di aiutare i progettisti a comprendere e utilizzare i rispettivi prodotti. Tali pubblicazioni possono essere considerate i primi strumenti progettuali.
Il tempo (e la tecnologia) non aspetta nessuno. Sebbene queste prime pubblicazioni offrano un aiuto prezioso e siano state persino aggiornate e rese disponibili in versione scaricabile, salvo poche eccezioni, quasi tutti i produttori di dispositivi analogici e a segnale misto sono oramai grandi produttori di microcontrollori. Non stupisce pertanto che, oltre a editor, compilatori e debugger, queste aziende offrano anche una gamma di strumenti progettuali analogici basati sul software.
Già da diversi anni sono disponibili semplici strumenti progettuali per applicazioni analogiche, sotto forma di insiemi di equazioni da caricare in un primo tempo nei fogli di lavoro, e successivamente nei programmi in floppy disk e CD. L'avvento di Internet ha infine consentito la creazione di codice scaricabile con aggiornamenti regolari.
Occorre tuttavia ricordare che ciò riguarda esclusivamente gli strumenti che aiutano i progettisti nello sviluppo di circuiti integrati analogici. Gli stessi produttori di semiconduttori dispongono infatti di set completi di strumenti di progettazione, convalida e collaudo dei rispettivi chip, i quali esulano comunque dall'ambito della presente discussione.
Lo stato dell'arte
I primi programmi erano relativi soprattutto a dispositivi che svolgevano una singola funzione, come amplificatori operazionali (op-amp). Ora però la progettazione analogica è in fase di migrazione verso un approccio basato sui sottosistemi, in cui diversi componenti vengono integrati in un unico dispositivo. Inoltre il numero dei dispositivi disponibili è fortemente aumentato, fino a dozzine di soluzioni possibili per un singolo problema di natura progettuale. Ciò ha portato alla creazione di strumenti progettuali on-line, che includono uno strumento di selezione del prodotto volto ad aiutare l'utente sia nella progettazione del circuito che nella scelta del dispositivo più adatto.
La tendenza più recente è tuttavia un approccio altamente interattivo, che prende il nome di "Expert System". Lo strumento di progettazione parte dalla specifica dei parametri chiave dell'applicazione e non si limita a suggerire il dispositivo più adatto, ma offre all'utente la possibilità di affinare il progetto in base a fattori quali la distinta base (BOM) e l'ingombro della scheda del circuito.
Figura 1: Esempio di uno strumento di progettazione basato sull'approccio "Expert System", Texas Instruments’ WEBENCH Power Designer. (Fonte: Texas Instruments)
Quali sono i vantaggi offerti da questo nuovo approccio? A differenza degli strumenti progettuali meno recenti, i quali calcolavano i valori dei componenti in base a formule da manuale, i nuovi strumenti si avvalgono del rispettivo motore di ricerca per parametri allo scopo di selezionare dispositivi idonei e quindi aggiungere parametri specifici del dispositivo come input degli algoritmi di progettazione.
Nel caso di un circuito di un amplificatore del feedback di tensione, ad esempio, la progettazione è avvantaggiata dall'inclusione di parametri op-amp quali velocità di risposta, capacità di ingresso parassita, frequenze noise e flicker-noise, oltre al prodotto standard di ampiezza di banda e guadagno. È inoltre possibile incorporare anche effetti più sofisticati, come quelli relativi ai problemi di carico in uscita e al modo in cui essi interagiscono con la risposta in frequenza dell'amplificatore.
Una volta progettato un blocco circuitale è possibile utilizzare numerosi nuovi strumenti progettuali per spostarlo in una piattaforma di simulazione più generale, in modo che i progettisti possano combinare più blocchi, aggiungere altri componenti o eseguire simulazioni termiche; o anche scaricare il proprio circuito o layout del PCB direttamente in un programma CAD.
Esempi di strumenti progettuali analogici
WEBENCH: attraverso la piattaforma WEBENCH, Texas Instruments offre una gamma completa di strumenti progettuali analogici, tra cui strumenti per progettisti che lavorano con alimentatori, FPGA, LED, amplificatori, AFE per uso medico e molto altro. Tali strumenti rispondono ai requisiti del mondo reale. Gli strumenti per i sensori offrono ad esempio prestazioni ottimizzate in termini di percorso del segnale, distinte base, analisi di costi e collegamenti a schede di valutazione, oltre ad altri strumenti per il collaudo e la convalida di soluzioni simulate.
LTspice: prodotto da Linear Technology, LTspice version IV è uno strumento SPICE a elevate prestazioni, che consente di simulare e progettare i circuiti, visualizzando le relative forme d'onda. Esso offre inoltre miglioramenti e modelli volti a facilitare la simulazione dei regolatori di commutazione. L'applicazione Windows, scaricabile, include modelli di macro per centinaia di op-amp e regolatori di commutazione LT, così come per resistori, transistori e modelli MOSFET.
Filter Wizard: creato da Analog Devices, Filter Wizard aiuta a progettare filtri passa alto, passa basso e passa banda. Una volta inseriti i parametri chiave (frequenza e guadagno passa banda ed elimina banda, tempo di risposta del filtro), il programma seleziona una topologia, genera un disegno e aiuta l'utente a scegliere il miglior componente ADI.
Figura 2: Schermata di Filter Wizard. (Fonte: Analog Devices)
Analog Devices offre anche una suite completa di strumenti progettuali a supporto del suo ampio portafoglio RF. ADIsimRF è, ad esempio, un calcolatore di catene di segnali RF, che consente di calcolare parametri di sistema quali il guadagno a cascata, l'indicatore del rumore, IP3, P1dB e il consumo totale di energia. Il numero di fasi può essere variato fino a un massimo di 15. Lo strumento di progettazione ADIsimRF contiene i dati di diversi circuiti integrati RF e convertitori di dati ADI, cui i progettisti possono accedere facilmente utilizzando menu a discesa, che facilitano la selezione del componente.
iSim: prodotto da Intersil, iSim è uno strumento di progettazione interattivo e basato sul Web per la selezione e la simulazione di dispositivi della gamma Intersil. Gli utenti utilizzano una procedura di progettazione simile a quella di altri strumenti:
1) Selezionare le specifiche di ingresso e uscita
2) iSim individua i dispositivi Intersil idonei e calcola i componenti ottimali
3) Il progetto viene visualizzato in un disegno on-line per il collaudo dell'applicazione
4) Una volta verificato il progetto, iSim genera una BOM e un report di progetto
Attualmente iSim è disponibile solo per i dispositivi di gestione della potenza e gli amplificatori operazionali Intersil.
Mindi: questo strumento di progettazione, creato da Microchip, è stato concepito per i progettisti che lavorano con filtri attivi, amplificatori, caricabatteria, convertitori CC-CC o alimentazione digitale. Il modulo per caricabatteria, ad esempio, è utile per la progettazione di convertitori di potenza bidirezionali o caricabatteria multi-chemistry con batterie Li-Ion, NiMH o NiCd. Dopo avere selezionato i parametri di base, il sistema genera un disegno interattivo; gli utenti possono quindi modificare singoli componenti, eseguire simulazioni, visualizzare un diagramma di Bode delle prestazioni del circuito o stampare il disegno. Lo strumento per amplificatori copre diversi circuiti op-amp comuni, tra cui configurazioni invertenti e non-invertenti, amplificatori differenziali, integratori e differenziatori. Lo strumento offre diverse funzionalità, tra cui l'analisi transitoria.
Power Supply WebDesigner (PSW): prodotto da Fairchild, Power Supply WebDesigner (PSW) è uno strumento per la progettazione e la simulazione di convertitori flyback a regolazione sul lato primario (PSR) o a regolazione sul lato secondario (SSR). Come altri strumenti, esso genera un disegno, una verifica simulata e la distinta base. Con PSW, tuttavia, la BOM può includere la selezione automatica delle parti dal catalogo del distributore preferito dall'utente. Fairchild offre analoghi strumenti di progettazione anche per altre applicazioni di alimentazione, tra cui progetti di topologie buck-boost isolate e non isolate, convertitori CC-CC e circuiti con correzione del fattore di potenza (PFC).
Strumenti di progettazione Arrow
Il sito Web di Arrow offre un'ampia selezione di strumenti progettuali. Tutti gli strumenti analogici discussi finora possono tuttavia essere richiesti direttamente attraverso i siti Web dei rispettivi produttori. I componenti della BOM richiedono invece un discorso a parte.