Analog- und Digitaldesign Technologietrends in der Elektronik

Autor / Redakteur: James Karki, Katharina Berberich* / Kristin Rinortner

Analog- und Digitaltechnik sind eng miteinander verknüpft. Über die Digitalelektronik lassen sich schnell komplexe Daten verarbeiten. Diese Daten sind jedoch zumeist analoger Natur und erfordern Analogfunktionen. Diese müssen der Evolution in der Digitaltechnik angepasst werden. Wie sieht diese Erfolgsgeschichte aus?

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( Archiv: Vogel Business Media )

Im Jahr 1965 schrieb Gordon E. Moore: „Die Komplexität (von Elektronik) ... hat sich bisher annähernd alle zwei Jahre verdoppelt… Es kann mit Sicherheit erwartet werden, dass sich diese Zuwachsrate kurzfristig fortsetzen wird…“ Diese Prognose ist als Mooresches Gesetz bekannt geworden. Obwohl sich dieses über die Jahre etwas verschliffen hat, lassen sich die erstaunlichen Fortschritte nicht leugnen, die in den vergangenen 40 Jahren die Elektronik vorangetrieben haben.

Es trifft heute genauso zu wie 1965, dass Integration und verbesserte Architekturen die Schlüssel zum Erfolg im Elektronikmarkt sind. Hauptziele sind: Miniaturisierung, mehr Funktionen, reduzierter Energieverbrauch und weniger Kosten. Dies wird durch weiterentwickelte Prozesstechnologien erreicht.

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Viele denken bei dem Begriff Elektronik an Flachbild-Fernsehgeräte, Mobiltelefone, Computer, MP3-Player, Digitalkameras und dergleichen: alles Dinge, die durch schnelle digitale integrierte Schaltungen möglich wurden. Während Fortschritte in der Digitalelektronik oft als Motor dieser Evolution gesehen werden, sind die Fortschritte in der Analogelektronik aber ebenso wichtig.

Digitalelektronik realisiert viele komplexe Funktionen mit denen Informationen verarbeitet werden. Signale der realen Welt, wie Licht und Sprache, sind aber kontinuierlich und erfordern daher eine analoge Verarbeitung. Analoge Chips wie Digital/Analog-Wandler und Analog/Digital-Wandler werden als Brücke zwischen analog und digital verwendet. Ohne derartige Analogfunktionen wären digitale Geräte weitaus weniger nützlich.

Eng verknüpft: digital und analog

Aufgrund der Verknüpfung zwischen digitalen und analogen Elementen stehen Hersteller von Analogkomponenten vor der Herausforderung, mit ihren digitalen Gegenparts Schritt zu halten: Fortschritte im Digitalbereich müssen durch ebensolche im Analogsektor begleitet werden. Wie sieht also die Erfolgsgeschichte zwischen analog und digital aus?

Bei Texas Instruments kommen neue Generationen von digitalen CMOS-Prozessen bisher durchschnittlich alle 2,9 Jahre auf den Markt. In jeder Generation schrumpft die Transistorgröße um 70%, d.h. die Transistordichte verdoppelt sich, die Waferkosten steigen um 20%, während sich die gesamten Chipkosten um 40% reduzieren. Analog-CMOS folgen mit einer neuen Generation durchschnittlich alle 3,5 Jahre. Bild 1 zeigt die Skalierung der Digital- und Analog-CMOS-Strukturgröße bei Texas Instruments.

Fortschritte in der digitalen Dichte haben zu geringeren Core-Spannungen geführt. Das gleiche gilt teilweise auch für den Analogbereich. Die Betriebsspannungen sanken von 12 auf 5 und 3,3 V, aber viel mehr wird wohl nicht möglich sein. Das liegt daran, dass sich das Rauschen nicht linear mit der Betriebsspannung skaliert. Die Analog-Betriebsspannung muss also hoch genug bleiben, um den Signal-Rauschabstand zu halten, der für Signale mit hohem Dynamikbereich erforderlich ist.

Es wird vorausgesagt, dass in ca. 15 Jahren die Lithographie die Grenzen der gegenwärtigen Technologie erreichen und eine weitere Skalierung der digitalen Prozesse fraglich sein wird. Während durch Skalierung und Integration auf Transistorebene kurzfristig weitere Vorteile zu erwarten sind, bieten Entwicklungstools, Software, Systemexpertise und die Unterstützung von Peripherie-Elementen durch IC-Hersteller sogar noch größere Vorteile.

Verbesserte Architekturen

Ein Beispiel für verbesserte Architekturen sind Basisstationsempfänger (Bild 2). Derzeit wird normalerweise eine Mischstufe verwendet, um das HF-Signal in eine niedrigere, aber immer noch hohen Zwischenfrequenz zu konvertieren, wie in der oberen Hälfte der Zeichnung dargestellt ist. Ein A/D-Wandler tastet dann das Signal mit niedrigerer Frequenz ab und ein digitaler Abwärtsumsetzer (DDC) liefert die I-und Q-Daten.

Ändert man die Architektur und implementiert einen Quadraturdemodulator (unteren Hälfte von Bild 2), wird das Signal aus dem HF-Bereich in eines für das Basisband I und Q umgewandelt. Der A/D-Wandler muss jetzt nur mit einer geringeren Frequenz abtasten und der DDC wird zu einem Dezimal-/Nyquistfilter-Algorithmus reduziert, der in den DSP einbezogen werden kann. Damit reduzieren sich die Systemkosten, da sich die Bauteilanzahl verringert und die Anforderungen an den ADC/DDC nicht mehr so hoch sind.

Hoch integrierte Systemhardware mit Zusätzen

Die DaVinci-Technologie von Texas Instruments ist ein Beispiel für hoch integrierte Systemhardware, Software und Entwicklungsunterstützung durch den Hersteller. Das DaVinci-System bietet nicht nur den digitalen Signalprozessor (DSP) sondern auch einen ARM-Prozessor, Software, Tools, dedizierte Peripherie sowie Entwicklungsunterstützung durch ein Netz von Third-Party-Providern zum Entwickeln eines breiten Spektrums von optimierten digitalen Video-Endgeräten.

Die Software enthält Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs). APIs versetzen den Entwickler in die Lage, sich auf die übergeordnete Anwendungsentwicklung zu konzentrieren, ohne sich über die einzelnen Softwareelemente Gedanken machen zu müssen. Video-, Imaging-, Audio- und Sprach-CODECs, die sämtlich auf Standardbetriebssystemen arbeiten, sind ebenfalls enthalten.

Zu den Peripheriegeräten gehören:

Video-I/O-Verarbeitungs-Subsystem, Video- und Imaging-Beschleuniger, Audio Serial Port (ASP) für Codec-Schnittstelle und Kommunikation, Unterstützung für Double Data Rate Memory (DDR2), NAND-Flashcontroller auf der Platine, NAND/NOR-flash-fähiger Async-EMIF, DAC-Ausgänge (4x) an externe Videotreiber mit programmierbaren Filtern, Bias-Modi und Line-Treiber-Ausgänge, USB 2.0 High-Speed-Host- und Client-Funktion, vollständiges 10/100 MBit/s Ethernet MAC, I2C-Schnittstelle, spezielle Schnittstelle für FPGA-Ergänzung, ATA-Festplattenschnittstelle, kompakter Flashcontroller, Multimedia Card (MMC) / Secure Digital Card (SD) Controller.

Bild 3 zeigt das Blockdiagramm der DaVinci-Subsysteme, Bild 4 Beispiele für unterstützte Peripherie-Elemente. Die DaVinci-Technologie bietet zahlreiche Werkzeuge und Kits, darunter preisgünstige Start-Tools, komplette Development-Kits und Referenz-Designs.

Videoapplikationen für Consumer und Industrie

Neue Videoapplikationen werden bereits in Telematikanwendungen von Autos, in Computern, Mobiltelefonen und Netzwerken eingesetzt. Das ist nur der Anfang. Die Liste der Consumer-Anwendungen, die zusätzlichen Nutzen durch Videofunktionalität gewinnen, ist schier endlos. Nehmen wir beispielsweise an, Sie verfolgen ein wichtiges Pokalspiel im Fernsehen und es klingelt an der Haustür. Durch Gesichtserkennung und Bild-in-Bild-Technologie können Sie nun entscheiden, ob Sie den Besucher hereinlassen, ohne sich vom Spiel abzuwenden.

Digitalkameras mit Objekterkennungstechnologie können beim Fotografieren sicherstellen, dass jede Person im Bild die Augen geöffnet hat.

Die Sicherheit von Fahrzeuginsassen wird durch Fahrzeuge erhöht werden, die dem Fahrer helfen, auch bei dichtem Nebel klar zu sehen. Tragbare, drahtlos sendende medizinische Geräte werden helfen, Leben zu retten, indem sie Ärzten genauere Diagnose-Möglichkeiten bieten, wenn Patienten ins Krankenhaus eingeliefert werden. Videobasierte medizinische Geräte könnten Krankenschwestern und Ärzte durch einfache und sogar komplexe Prozeduren effektiver als Textanweisungen führen, indem sie zeigen, was zu tun ist, anstatt dies nur verbal zu erklären.

Neue Prozesstechnologien und komplette Designlösungen

Der umkämpfte Markt von morgen erfordert immer neue Prozesstechnologien. Dies in Kombination mit innovativen Architekturänderungen und kompletten Designlösungen wird in hohem Maß die Fähigkeit von OEMs erhöhen, sich im Wettbewerb zu behaupten.

*James Karki ist strategischer Marketingmanager für Produkte zur High-Speed-Signalaufbereitung und Mitglied des technischen Stabs von Texas Instruments. Katharina Berberich arbeitet als Field Application Engineer bei Texas Instruments in Freising.

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