Analog-Praxis

Die Unterschiede zwischen Analog- und Digitalentwicklung – Teil 1

Unterschied zwischen Analog- und Digitalentwicklung

Was macht die Analogtechnik heute immer noch so bedeutsam? In diesem Artikel findet der Digitalentwickler einige hilfreiche Tipps, wenn er in die vermeintlich „dunklere“ (d.h. die analoge) Seite der Schaltungsentwicklung eintaucht. Was heute immer häufiger der Fall ist.

Unterschied zwischen Analog- und Digitalentwicklung

Unterschied zwischen Analog- und Digitalentwicklung

Es ist nun mehr als ein Jahrzehnt her, dass mich auf der Embedded Systems Conference (ESC) 2001 in San Francisco ein Hochschulabsolvent ansprach, der gerade sein Ingenieurstudium abgeschlossen hatte. Als er erfuhr, dass ich eine leitende Position in seinem Fachgebiet bekleide, erklärte er, dass er auf Stellensuche sei. Er sagte, er kenne meine Firma, wolle – falls möglich – gern für sie arbeiten und präsentierte mir auch gleich seinen Lebenslauf. Ich wiederum ging daraufhin etwas näher auf meine Aufgaben im Unternehmen ein.

Damals war ich noch Leiterin der Gruppe Mixed Signal / Linear Applications. Zum Tätigkeitsfeld meiner Abteilung gehörten die Produktdefinition, die technische Dokumentation, Kundenschulungen und -besuche. Im Zuge dieser Aktivitäten reisten wir weltweit umher. Am Ende meines „Verkaufsgesprächs“ bemerkte er voller Bewunderung, das Ganze klinge nach einem tollen Job.

Ich wies nochmals darauf hin, dass ich der Analogsparte meines Unternehmens angehöre. Offenbar glaubte er, sich hier gut auszukennen, denn er prophezeite mir, die „Analogtechnik werde aussterben“ und letztlich von der Digitaltechnik verdrängt. Dem würde doch jeder zustimmen, der etwas von Elektrotechnik verstehe. Oder etwa nicht?

Im Laufe meines beruflichen Werdegangs habe ich mit einem breiten Spektrum von Entwicklern in der Analog- und Digitaltechnik zusammengearbeitet. Jeder hat seine Eigenarten und vertritt gute Gründe, warum er nicht beide Techniken beherrscht. In diesem Artikel wird der Digitalentwickler einige hilfreiche Tipps finden, wenn er in die vermeintlich „dunklere“ (d.h. die analoge) Seite der Schaltungsentwicklung eintaucht. Was aus meiner Sicht natürlich eher die längst fällige Reise ins Licht ist.

Der grundlegende Unterschied zwischen der analogen und der digitalen Denkart liegt in den Definitionen für Präzision, den Abhängigkeiten zwischen Hardware und Software und der Zeit. Was die Präzision betrifft, hätte man sich mit der Frage zu beschäftigen, wie gut die eingesetzten Analogbausteine auf die anstehende Aufgabe abgestimmt sind oder wie effizient die verwendete Software den digitalen Code ausführt.

Analogentwicklern ist schnell klar, dass Hardwareänderungen schwierig sind, während Digitalentwickler mit ein paar Anschlägen auf der Computertastatur Änderungen an der Software vornehmen können. Dann gibt es die Frage der Zeit: In der Analogentwicklung werden die Entscheidungen des Entwicklers von Frequenzbetrachtungen dominiert. In der Digitalentwicklung spielt dagegen die Ausführungszeit eine wichtige Rolle.

Präzision

Wie definiert man, wie präzise eine Analogschaltung sein muss? Diese Frage lässt sich auf drei unterschiedliche Arten beantworten. Eine davon lautet: „So präzise wie nötig.“ So genügt es bei einigen Schaltungen, wenn sie auf ein oder zwei Millivolt genau arbeiten, während bei anderen eine Genauigkeit bis in den Sub-Mikrovoltbereich hinein erforderlich ist. Dieser Unterschied in den Systemanforderungen animiert den Entwickler dazu, sich bei einigen Systemen mit dem Kriterium „genau genug“ zufriedenzugeben und sich bei anderen die Frage zu stellen: „Wie viel kann ich noch aus dieser Schaltung herausholen?“

Ein zweites Verfahren zur Erzielung von Genauigkeit setzt voraus, dass der Entwickler die Wirkungsweise der Bauelemente und Komponenten, mit denen er arbeitet, wirklich verstanden hat. Was Bauelemente angeht, so haben ein 1-kW-Widerstand oder ein 20-pF-Kondensator – und das gilt in diesem Zusammenhang für jeden Widerstand oder Kondensator – nicht immer die aufgedruckten Absolutwerte. So können sich beispielsweise Temperaturänderungen dramatisch auf die tatsächlichen Werte dieser beiden Bauelemente auswirken. Daneben weisen die Nennwerte aller im Labor verwendeten Bauelemente fertigungsbedingte Streuungen von einem Exemplar zum anderen auf. Zusammen können diese beiden wichtigen Einflussfaktoren das Verhalten einer Schaltung dramatisch verändern, wenn sie nicht gebührend berücksichtigt werden.

Maximalwerte, Minimalwerte und typische Werte

Was elektronische Bausteine angeht, so werden in den Produktdatenblättern meist maximal und minimal garantierte Werte sowie typische Werte angegeben. Die garantierten Werte sind selbsterklärend: Die verwendeten Bausteine werden diese spezifizierten Werte nicht überschreiten, solange die spezifizierten Bedingungen eingehalten werden und solange die Bausteine nicht durch höhere Temperaturen oder Spannungen überlastet werden.

Typische Werte in einem Produktdatenblatt sind eine andere Sache. Um diese Werte festzulegen gibt es verschiedene Möglichkeiten, und jeder Hersteller hat seine eigenen Verfahren und Rechtfertigungen für die Berechnung dieser Werte. So bestimmen einige Hersteller vor der ersten Produktfreigabe als typischen Wert den Mittelwert einer größeren Zahl von Mustern eines Bausteins. Dabei können Umfang und Eigenschaften der Stichproben beträchtlich variieren.

So versuchen beispielsweise einige Hersteller besonders gründlich zu sein, indem sie Hunderte von Mustern aus drei oder mehr Wafer-Produktionschargen auswählen, während andere nur eine kleine Zahl von Mustern (15 bis 30) aus ein und demselben Wafer verwenden, um daraus typische Werte zu bestimmen. Das letztere Verfahren dürfte dabei sicher keine so verlässlichen Aussagen für das Langzeitverhalten des betreffenden Bausteins liefern.

Neben der Anzahl der Muster können auch die Verfahren zum Berechnen der typischen Werte variieren. Einige Hersteller definieren ihre typischen Werte als Werte, die gleich einer Standardabweichung plus Mittelwert sind. Andere benutzen lediglich den Mittelwert als eine typische Größe für ihre Spezifikationen. Wieder andere ziehen ihre SPICE-Simulation zur Bestimmung der endgültigen Richtwerte für die typischen Spezifikationsgrößen heran.

Eine kurze Warnung an dieser Stelle: Unabhängig davon, wie ein Hersteller den in seiner Spezifikation oder seinem Datenblatt veröffentlichten typischen Wert bestimmt – entwickeln Sie Ihre Schaltung NICHT auf der Grundlage typischer Spezifikationen. Arbeiten Sie stattdessen stets mit den minimalen und maximalen Spezifikationen.

Der dritte für die Genauigkeit relevante Aspekt ist das Rauschen, und hierfür benötigen Sie einige Kenntnisse über statistische Berechnungen unter Verwendung großer Musterzahlen.

Einiges zum Rauschen

Rauschen in der Elektronik kann zufallsbedingt sein. Wenn es sich zufällig über das Frequenzspektrum verteilt, enthält es keine kohärenten Frequenzen. Rauschen entsteht in allen analogen Bauelementen, gleichgültig, ob es sich um passive oder aktive Bauelemente handelt. Wenn Sie die Rauschereignisse in Ihrer Schaltung abtasten, werden diese über der Zeit eine Normalverteilung aufweisen.

Fallen die Rauschabtastwerte in eine Normalverteilung schwanken wiederholte Abtastungen um einen zentralen Wert. Die Verteilung ist ungefähr symmetrisch um diesen zentralen Wert herum angeordnet. Sie führt zu einer Kurve, die am Mittelpunkt ein Maximum erreicht und zu beiden Seiten bis auf Null abfällt. Da diese Verteilung mit dem zentralen Grenzwertsatz im Einklang steht, können Sie Standardberechnungen wie etwa die der mittleren Abweichung und der Standardabweichung anwenden, um den allgemeinen Betrag künftiger Rauschereignisse bezüglich der Normalverteilungskurve zu berechnen.

Hardware vs. Software

Es gibt einige pragmatische Denkansätze, wenn Sie sich dazu entschließen, ein analoges Konzept zu verfolgen: Machen Sie sich beim Entwurf einer Hardware mit den grundlegenden Eigenschaften Ihrer Bauelemente vertraut, verschaffen Sie sich die nötigen Kenntnisse über das Verhalten der wichtigsten Schaltungsbausteine, und unterziehen Sie Ihre Schaltungen immer zuerst einer eingehenden Simulationsanalyse. Denken Sie daran, dass auch Fragen des Leiterplattenlayouts, die hier nicht weiter behandelt werden, der nötigen Beachtung bedürfen.

In der digitalen Welt gibt der Begriff „Präzision“ an, wie exakt der Code erstellt wurde, was Wechselwirkungen innerhalb des Codes selbst und mit äußeren Ereignissen wie Interrupts angeht.

Der zweite Teil dieses Artikels beschäftigt sich mit den wichtigsten Eigenschaften der Funktionsbausteine, parasitären Effekten und gibt praktische Tipps.

Die Autorin: Bonnie C. Baker arbeitet als Senior Applications Engineer bei Texas Instruments.

 

 

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