הפתחויות חדשות מחזקות הן את שוק תעשיית הבדיקות והמדידות וגם את השווקים המדעיים
מאת: ניקולאס צ’נטייר – E2V
שוק ממירי הנתונים בג’יגה–דגימות בשנייה [GSPS] הפך להיות פלח שוק שולי שמתפתח כעת בהיקפו בשל אפקט משולב של שני גורמים: האחד הוא תחרות הוגנת של ספקים, שמניעה זרימה רצופה של מוצרים חדשים שיוצאים לשוק, והשני הוא מספר גדל של תכנוני מערכות בהם משתמשים בדגימה של ממירי נתונים בטווח של 1 ג’יגה–דגימות בשנייה ויותר.
בדיקות ומדידות
היה זמן שבו מקטע השוק שכולל את ממירי הנתונים לבדיקות ומדידות הונע על ידי כמה יצרנים יחידים של משקפי–תנודות [אוסצילוסקופים] ועל ידי התעשייה הצבאית של העולם המערבי. כיום, אמנם נותרו עדיין המשתמשים ההיסטוריים של ממירי הנתונים בג’יגה–דגימות בשנייה, אך המועדון התרחב כאשר נוספו לו משתמשים חדשים.
לאחרונה הופיעו שמות חדשים רבים מאוד בתעשיית הבדיקה והמדידה באזור המזרח הרחוק ביניהם, מתכננים של מערכות לאסטרונומית–רדיו, מתכננים של מערכות מדעיות עם מספר גבוה של ערוצים – למשל, מערכות לגילוי ולמדידה של חלקיקים פיסיקליים – ומתכננים של מערכות תקשורת מנקודה לנקודה בגלי מיקרו. מערכות מדידת לייזר פולסים בדיוק גבוה, מכשירי ספקטרומטר מסות, מכשירי בדיקה של כוננים קשיחים [HDD] ומגוון של מכשירי בדיקה ייעודיים פונים למימוש בממירי נתונים בג’יגה–דגימות בשנייה מסיבות הקשורות במהירות, בדיוק המושג באמצעות דגימה במהירות גבוהה, ברוחב הפס בכניסה שמעבר לטווח של 1 ג’יגה–הרץ, או בגלל שילוב של שלוש הסיבות גם יחד.
עד לפני שנים בודדות בלבד, רק למעט מאוד אנשים שנחשבו לשחקנים ראשיים בתעשיית הבדיקה והמדידה הייתה היכולת הטכנית והפיננסית לתכנן רכיבי ASIC להמרת נתונים בהתאמה אישית. כיום, עדיין יש רק חברות בודדות שיכולות להרשות לעצמן את התהליך, אך השינוי בא לידי ביטוי במספר הגדל של ממירי נתונים סטנדרטיים עם תדרי דגימה בטווח של ג’יגה–דגימות בשנייה אשר כעת מאפשרים הן לאותם שחקנים ההיסטוריים וגם למשתמשים חדשים הבאים זה מקרוב לתכנן משקפי–תנודות – או התקני בדיקה ומדידה אחרים – מבלי לקחת סיכונים, לשאת בהוצאות או לעמוד בפני האתגר הטכני של תכנון רכיבי ASIC להמרת נתונים בג’יגה–דגימות בשנייה.
חשוב להתבונן בשוק משקפי–התנודות, אשר בו ממירי נתונים בג’יגה–דגימות בשנייה מהווים את הרכיבים החשובים ביותר. בשעה שמגמה זו של ממירי נתונים הלכה וקיבלה צורה, צצו והתפתחו מספר משתמשים בתחום הבדיקה והמדידה, בעיקר באסיה. חברות אלו יכולות כעת להציע משקפי–תנודות במותג משל עצמן או משקפי–תנודות של יצרני ציוד מקור [OEM] שמשתפרים באופן קבוע, בד בבד עם רשימה מתרחבת של ממירים חדשים של נתונים בג’יגה–דגימות בשנייה. ממירים אלו תמיד פורצים את הגבולות החדשים של מהירויות הדגימה, רוחבי פס בכניסה, מספר הערוצים ושל תכונות מובנות נוספות.
מבחינת תעשיית ממירי הנתונים במהירות גבוהה, יוצרת מגמה זו קרקע לגידול, ומבחינת תעשיית הבדיקה והמדידה המשמעות היא שלמתמודדים חדשים בשוק קל יותר להתגבר על מחסומים טכנולוגיים, ככל שמדובר בזמינותם של הרכיבים.
צבא וחלל
בתעשיות הצבא והחלל קיימת נטייה להעדיף ממירים מאנלוגי לספרתי [ADC] בעלי מהירות גבוהה שמגיעים לתדירויות דגימה גבוהות שמעבר לג’יגה–דגימות בשנייה, באמצעות ארכיטקטורת ליבה יחידה וללא ארגון נתונים משלב [interleaving] פנימי ונסתר. כידוע, לליבות של ממירים מאנלוגי לספרתי המבצעות שילוב כזה, ונמצאות במערכות שנתונות לתנודות טמפרטורה רחבות, נדרש ניטור אחר טמפרטורה וניהול כיול וכיול חוזר בכל פעם שהמערכת נתונה לשינויי טמפרטורה משמעותיים. לכן, ממירי נתונים שמגיעים לקצבי דגימות של ג’יגה–דגימות בשנייה עם ליבה יחידה במהירות גבוהה, ואשר לכן לא משתמשים בטכניקות של ארגון נתונים משלב, מציגים ביצועים נומינליים על פני טווח הטמפרטורה המלא שלהם מבלי שיהיה עליהם לנהל כיולים ומבלי שישתמשו ביכולת העיבוד של התקני FPGA כדי להסיר את ההפרעות הנובעות מאותות דרבון משלבים [interleaving spur] במישור הספרתי.
החוזה שהעניקה סוכנות החלל האירופית לחברת e2v technologies, לפיתוח מערכת ב–10 סיביות בעלת קצב של 1.5 ג’יגה–דגימות בשנייה, יניב ממיר נתונים שמתוכנן במיוחד כדי לעמוד בדרישות של תעשיית החלל, בין היתר, להגיע ל–1.5 ג’יגה–דגימות בשנייה ללא ארגון נתונים משלב [interleaving] פנימי, ועדיין יעמוד בדרישות להספק נמוך.
מאותן סיבות של ביצועים בטווח של טמפרטורות, שהוסברו לעיל, התעשיות הצבאיות מברכות הן את קיום הכניסות בעלות התדירות הגבוהה והן את קצבי הדגימה הגבוהה ללא ארגון נתונים משלב פנימי. אלו הם התעשיות והארגונים המשתמשים בהתקנים כגון
AT84AS004, EV10AS150 ובהתקנים דומים.
תעשיית ממירי הנתונים בג’יגה–דגימות בשנייה היא תחום שבו טכנולוגית CMOS והטכנולוגיה הבי–פולרית עודן מתחרות ביניהן במידה מסוימת. התכנונים האחרונים של e2v בתהליך הבי–פולרי המלא B7HF200 של Infineon ובתהליכי BiCMOS בעלי המהירות הגבוהה של Jazz Semiconductors מגיעים לרמות צריכת הספק שמשתוות לממירי נתונים ב–CMOS בג’יגה–דגימות בשנייה, אולם עם רוחב פס גבוה יותר בכניסה שאופייני לטכנולוגיות בי–פולריות מהירות. תופעות מעבר מוקטנות בזרם האספקה – כמו למשל עם EV10AQ190 של e2v ועם ליבות ממירי ADC – מאפשרות לדגום אותות מהירים עד 2.5 מגה–דגימות סיביות בשנייה בלי להשתמש בכל צורה שהיא של ארגון נתונים משלב [interleaving] פנימי (כמו למשל EV10AS150 של e2v). מהצד האחר, יש להתקני CMOS בדרך כלל צריכת הספק שהיא יחסית לתדירות הדגימה, ולכן אפשר להוריד את צריכת ההספק הנומינלית ביישומים שבהם אפשר להאט את אות השעון של ממיר ADC.
סקירת ממירים אנלוגי לספרתי בג’יגה–סיביות בשנייה ל–10 סיביות
סקירת צריכת ההספק האופיינית של ממירים מאנלוגי לספרתי בג’יגה–סיביות בשנייה ל–10 סיביות. המקור: דפי הנתונים של היצרנים המפורסמים באתרי האינטרנט שלהם:
ממירים מאנלוגי לספרתי ב–10 סיביות:
* EV10AQ190, התקן מרובע (ארבעה במארז) ל–1.25 ג’יגה–סיביות בשנייה ול–10 סיביות של חברת e2v technologies. טכנולוגיית תהליך BiCMOS של Jazz Semiconductor; צריכת הספק לערוץ בדגימה של 1.25 ג’יגה–סיביות בשנייה: 1.4 וואט לערוץ ב–1.25 ג’יגה–סיביות בשנייה.
* ADC10D1000, ממיר מאנלוגי לספרתי כפול (שניים במארז) ל–1 ג’יגה–סיביות בשנייה ול–10 סיביות של חברת National Semiconductor. טכנולוגיית תהליך CMOS עצמית של הספק; צריכת הספק לערוץ בדגימה בקצב של 1 ג’יגה–דגימות בשנייה: 2.77 וואט בסך הכל לשני ערוצים מאופשרים או 1.61 וואט לערוץ יחיד מאופשר.
מבחינת העתיד הנראה לעין, הבחירה של ממירי ADC סטנדרטיים לג’יגה–דגימות בשנייה תמשיך לגדול עם השילוב של תכונות משולבות נוספות, קצבי הדגימה הגבוהים יותר ורוחב הפס בכניסה הגדול יותר המתאים היטב את התדירויות של אותות הכניסה לתחום S–Band.
האתגרים
האתגרים הטכנולוגיים הבאים יכולים להתעורר מתוך הרכיבים הנמצאים סביב הממירים מאנלוגי לספרתי. לדוגמה, מחוללי אות השעון והתקני ניהול אות השעון – אשר בעבורם דרישות ביצועי הפרעות הריצוד [Jitter] יהפכו להיות קשיחות יותר ויותר – קצבי הדגימה, תדירויות הכניסה והרזולוציה כולן יהיו במגמת עלייה.
כמו כן, למרות התחרות המרתקת בנושא ביצועים בין יצרני המגברים הטובים ביותר כיום, המגברים ההפרשיים המהירים כבר מהווים גורם מגביל במושגים של רוחבי פס, במיוחד עם רזולוציית מערכת של 10 סיביות המיועדת להמרת אותות לספרתי בתדירויות בתחום L–Band ומעבר לו. ביישומים אלו רק שנאי תיאום עכבות לתדר רדיו מספקים את הביצועים המתאימים לדחיפת הכניסה של ממיר מאנלוגי לספרתי. לרוע המזל צימוד DC אינו אפשרי כאשר משתמשים בשנאים כדוחפי כניסה הפרשית של ממיר מאנלוגי לספרתי. על כן מהיום והלאה, המתכננים של מערכות המרת נתונים בעלות מהירות גבוהה ותדירות גבוהה צריכים לבחור עבור כל ערוץ בין צימוד DC עם רוחבי פס מוגבלים – בדרך כלל עד 1 ג’יגה–הרץ, בתלות במגבר שנבחר ובתנאי הפעולה שלו – לבין תדירויות כניסה גבוהות (אבל רק במצב צימוד AC).
מגברים בעלי מהירות גבוהה מציגים בדרך כלל את ביצועי הפרעות ההרמוניות הטובים ביותר לעומת תדירות כאשר תנודת המתח מוקטנת ביציאה. מכאן יישומים שדורשים צימוד DC בתדירות הכניסה הגבוהה ביותר האפשרית יזכו מבחירת ממיר ADC עם טווח מוקטן של מתח הכניסה, מאחר שמצב כזה יתורגם ישירות לתנודות מתח מוקטנות ביציאה עבור המגברים ההפרשיים. ניתן לערוך בחירה כזו במקרה של ממירים מאנלוגי לספרתי ל–500 מגה–דגימות בשנייה ול–12 סיביות: טווח מתחי כניסה אופייני של ממירים מאנלוגי לספרתי ל–500 מגה–דגימות ול–12 סיביות.
המקור: דפי הנתונים של היצרנים המפורסמים באתרי האינטרנט המתאימים שלהם.
AT84AS001 של e2v : טווח מתחי כניסה של 1.1 וולט משיא לשיא.
KAD5512 של Intersil: טווח מתחי כניסה של 1.47 וולט משיא לשיא.
ADS5463 של Texas Instruments: טווח מתחי כניסה של 2.2 וולט משיא לשיא.
באשר להתקני FPGA במערכות המרת נתונים במהירות גבוהה, הנטייה להגדיל את מהירויות הכניסות והיציאות בהתקן FPGA תאפשר ביטול של מגלי ריבוב ביציאה של הממיר מאנלוגי לספרתי בממירי ADC מרובי ערוצים כדוגמת הממיר המרובע (ארבעה במארז) מאנלוגי לספרתי EV10AQ190 ל–10 סיביות ול–1.25 ג’יגה דגימות בשנייה. כך יתאפשר להגדיל למקסימום את מספר הערוצים העוברים עיבוד לכל התקן FPGA עבור כל מספר נתון של יציאות וכניסות של התקן FPGA.
