W artykule przedstawiamy rodzinę układów programowalnych GreenPAK firmy Dialog Semiconductor. Cyfrowe układy programowalne są dostępne na rynku od końca lat ’60 ubiegłego wieku. W latach ’90 firma Lattice Semiconductor wprowadziła na rynek także programowane w systemie analogowe układy programowalne z rodziny ispPAC.

Cyfrowe układy programowalne przyjęły się na rynku i dobrze na nim funkcjonują w wielu obszarach aplikacyjnych. Pierwsze analogowe układy programowalne nie podbiły serc konstruktorów urządzeń elektronicznych. Przyczyn porażki było wiele, a jedną z najpoważniejszych była wysoka cena układów.

Wnioski z błędów popełnionych przez poprzedników wyciągnęła ekipa inżynierów, którzy uruchomili firmę Silego. Jej oferta bazowała głównie na układach CMIC (Configurable Mixed-signal IC). Pod koniec roku 2017 firma Silego została przejęta przez Dialog Semiconductor, która konsekwentnie rozwija ofertę układów CMIC. W nowej nomenklaturze firmy Dialog Semiconductor określane są mianem GreenPAK.

GreenPAK – programowanie bez języka programowania

Prezentację układów GreenPAK zaczniemy od dobrej wiadomości: pomimo tego, że są one programowalne, korzystanie z ich zasobów przez konstruktorów jest w pełni możliwe bez znajomości jakiegokolwiek języka programowania! Do „programowania” układów GreenPAK niezbędne jest posłużenie się jedynie wygodnym edytorem schematów o nazwie GreenPAK Designer, który producent układów udostępnia bezpłatnie wraz z bibliotekami dostępnych funkcji.

Dzięki temu narzędziu cykl projektowania konfiguracji układu GreenPAK wygląda jak na rysunku 1.

Rys. 1. Cykl projektowania i porgramowania układów GreenPAK

GreenPAK – tajniki budowy

Układy GreenPAK udostępniają konstruktorom konfigurowalne domeny: analogową i cyfrową. Liczba elementów tworzących poszczególne domeny nie jest duża, dzięki czemu jest łatwa do nauczenia i opanowania przez przeciętnych konstruktorów.

Rodzina GreenPAK składa się obecnie z 36 typów układów, które w grupach różnią się między sobą funkcjonalnie, dzięki czemu konstruktorzy mają do dyspozycji:

• układy przystosowane do pracy w systemach dwunapięciowych, w których jedna grupa wyprowadzeń układu może pracować w zakresie napięć 1,8…5,5V a druga 2,5…5,5V,
• wersje układów wyposażone w niskonapięciowe tranzystory (klucze) mocy P-FET. W zależności od wersji układu może to być jeden lub dwa takie tranzystory,
• układy wyposażone w zintegrowane, programowalne stabilizatory LDO. W zależności od wersji może ich być 4 (wydajność prądowa 150 mA każdy), 2 (300 mA każdy) lub 1 (600 mA),
• rozwiązania wyposażone w asynchroniczną maszynę stanów, której działanie użytkownik może zdefiniować za pomocą grafu stanów.

Większość obecnie produkowanych układów GreenPAK ma pamięć konfiguracji typu OTP, producent oferuje także dwa nowe typy tych układów, przystosowanych do programowania w systemie z możliwością rekonfiguracji.

Rys. 2. Schemat blokowy przykładowego układu z rodziny GreenPAK – SLG46535

Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy układu SLG46535. Jest to układ przystosowany do pracy w systemach dwunapięciowych. Wyposażono go w asynchroniczną maszynę stanów. Jest on więc układem, którego cechy są wspólne dla wymienionych grup, co jest charakterystyczne także dla wielu innych typów układów GreenPAK.

W prezentowanej rodzinie bez trudu można znaleźć układ pasujący do większości aplikacji, który zastąpi kilka standardowych układów scalonych (analogowych i/lub cyfrowych). Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie z cech i wyposażenia są – przynajmniej na razie – dostępne.

Jak widać na rysunku 2, w układzie SLG46535 zintegrowano także konfigurowalne tablice LUT (Look-Up Table), trzy różne generatory przebiegów zegarowych, trzy konfigurowalne wzmacniacze operacyjne, konfigurowalny blok cyfrowego opóźnienia, konfigurowalny interfejs I2C, a także filtry sygnałów cyfrowych.

Pomimo dużej liczby bloków funkcjonalnych, układ SLG46535 jest montowany w miniaturowej obudowie STQFN-14 o wymiarach 2 x 2,2 mm.

Rys. 3. Wygląd i wymiary obudów stosowanych dla układów GreenPAK

Na rysunku 3 pokazano widoki i wymiary wszystkich obudów stosowanych dla układów GreenPAK. Charakteryzują je niewielkie wymiary oraz relatywnie dość gęsty raster rozmieszczenia wyprowadzeń, co w pewnym stopniu utrudnia ich montaż ręczny.

GreenPAK Designer – darmowe narzędzie na poziomie

Narzędziem umożliwiającym przygotowanie projektu do zaimplementowania w układach GreenPAK jest dostępny bezpłatnie program GreenPAK Designer. Jest on wyposażony w selektor układów (rysunek 4), który ułatwia wybranie optymalnego układu do aplikacji. Selektor upraszcza konstruktrom dostęp do not katalogowych, pozostałej dokumentacji oraz przykładowych projektów.

Rys. 4. Okno selektora układów w pakiecie GreenPAK Designer

Rys. 5. Okna edytora projektu z przykładowym projektem w układzie SLG46535

Na rysunku 5 pokazano widok okna edytora projektu z przykładowym projektem. Wykorzystano w nim możliwość zasilania linii I/O układu różnymi napięciami oraz konfigurowalny automat ASM i tablice LUT. Ponadto: generatory sygnałów zegarowych oraz moduł zerowania POR i filtr sygnałów cyfrowych.

Rys. 6. Okno edytora grafów stanu automatu ASM układu SLG46535

Na rysunku 6 pokazano okno edytora grafów stanu automatu ASM z przykładowymi sekwencjami przejść.

Pakiet GreenPAK Designer można użyć także do symulacji projektu implementowanego w układzie scalonym. Pozwala to na wstępną weryfikację funkcjonalną projektu.

Do programowania prezentowanych układów można wykorzystać jedno z trzech urządzeń oferowanych przez firmę Dialog Semiconductor:

• GreenPAK DIP Development Board (fotografia 7), które może spełniać rolę programatora i emulatora, jego cena wynosi ok. 30 USD,

Fot. 7. Zestaw GreenPAK DIP Development Board

• GreenPAK Advanced Development Board (fotografia 8), które może spełniać rolę programatora, emulatora oraz generatora i rejestratora sygnałów testowych (analogowych i cyfrowych), jego cena wynosi ok. 60 USD,

Fot. 8. Zestaw GreenPAK Advanced Development Board

• GreenPAK Pro Development Board  (fotografia 9) które może spełniać rolę programatora, emulatora oraz real-time’owego generatora i rejestratora sygnałów testowych (analogowych i cyfrowych), jego cena wynosi ok 350 USD.

Fot. 9. Zestaw GreenPAK Pro Development Board

GreenPAK – mixed-signal ASIC dla każdego

Na koniec kolejna ważna informacja: piszemy o układach GreenPAK dlatego, że są bardzo interesującą alternatywą dla układów analogowych i cyfrowych, których funkcjonalności można połączyć w niewielkich obudowach. Piszemy o nich także dlatego, że jest to rozwiązanie dla każdego. Jak pokazała praktyka, nie tylko cena narzędzi sprzętowych dla układów GreenPAK jest atrakcyjna, a środowisko programistyczne bezpłatne. Także same układy są dostępne w niezwykle przystępnych cenach. Istnieje możliwość zamówienia układów programowanych pakowanych w taśmy przez producenta w cenie 0,30 USD/szt. przy minimalnym zamówieniu zaledwie 500 szt!

Wyraźnie widać, że GreenPAK to układy, które możliwościami i ceną pasują do współczesnego rynku elektroniki w naszym kraju. W praktyce często występuje konieczność zminiaturyzowania wymiarów urządzenia, zminimalizowania poboru mocy. Ważne jest także zapewnienie ochrony projektu przed nieuprawnionym kopiowaniem, co nie było wykonalne bez ogromnych nakładów finansowych.

Nie musimy więc przekonywać, że GreenPAK to małe ASIC-i mixed-signal w cenie niższej niż popularne LDO.