可編程模擬器件原理與開(kāi)發(fā)

       1 內部結構與基本原理

　　通用型可編程模擬器件主要包括現場(chǎng)可編程模擬陣列（FPAA）和在系統可編程模擬電路（ispPAC）兩大類(lèi)。二者的基本結構與可編程邏輯器件相似，主要包括可編程模擬單元（Configurable Analog Block，CAB）、可編程互連網(wǎng)絡(luò )（Programmable Interconnection Network）、配置邏輯（接口）、配置數據存儲器（Configuration Data Memory）、模擬I/O單元（或輸入單元、輸出單元）等幾大部分，如圖1所示。 

　　模擬I/O單元等與器件引腳相連，負責對輸入、輸出信號進(jìn)行驅動(dòng)和偏置、配置邏輯通過(guò)串行、并行總線(xiàn)或在系統編程（ISP）方式，接收外部輸入的配置數據并存入配置數據存儲器；配置數據存儲器可以是移位寄存器、SRAM或者非易失的E2PROM、FLASH等，其容量可以數十位至數千位不等；可編程互連網(wǎng)絡(luò )是多輸入、多輸出的信號交換網(wǎng)絡(luò )，受配置數據控制，完成各CAB之間及其與模擬I/O單元之間的電路連接和信號傳遞；CAB是可編程模擬器件的基本單元，一般由運行放大器或跨導放大器配合外圍的可編程電容陣列、電阻陣列、開(kāi)關(guān)陣列等共同構成。各元件取值及相互間連接關(guān)系等均受配置數據控制，從而呈現不同的CAB功能組態(tài)和元件參數組合，以實(shí)現用戶(hù)所需的電路功能。CAB的性能及其功能組態(tài)和參數相合的數目，是決定可編程模擬器件功能強弱和應用范圍的主要因素。

　　數?；靷R可編程器件可看作是可編程模擬器件的推廣形式。以SIDSA公司（www.sidsa.con/fipsoc）的FIPSOC系列（數?；旌犀F場(chǎng)可編程片上系統）為例，它既包含有模擬的可編程單元和互連網(wǎng)絡(luò )，又包含有由邏輯宏單元和開(kāi)關(guān)矩組成的FPGA，還包含有A/D、D/A轉換器和用于配置與控制的嵌入式微處理器等要，可用于片上系統（SOC）的開(kāi)發(fā)與實(shí)現。但其模擬部分的規模較小，主要面向數據采集、實(shí)時(shí)監控等特定應用。

　　2 基本開(kāi)發(fā)流程

　　可編程模擬器件開(kāi)發(fā)的主要步驟依次為：（1）電路表達，即根據設計任務(wù)，結合所選用的可編程模擬器件的資源、結構特點(diǎn)，初步確定設計方案；（2）分解與綜合，即對各功能模塊進(jìn)行細化，并利用開(kāi)發(fā)工具輸入或調用宏函數自動(dòng)生成電原理圖；（3）布局布線(xiàn)，即確定各電路要素與器件資源之間的對應關(guān)系以及器件內部的信號連接等?？勺詣?dòng)或手動(dòng)完成；（4）設計驗證，即對設計進(jìn)行仿真（根據器件模型和輸入信號等，計算并顯示電路響應），以初步確定當前設計是否滿(mǎn)足功能和指標要求。如果不滿(mǎn)足，應返回上一步驟進(jìn)行修改；（5）由開(kāi)發(fā)工具自動(dòng)生成當前設計的編程數據和文件；（6）器件編程，即將編程數據寫(xiě)入器件內部的配置數據存儲順。一般通過(guò)在線(xiàn)配置方式完成，也可利用通用編程器脫機編程；（7）電路實(shí)測，即利用儀器對配置后的器件及電路進(jìn)行實(shí)際測試，詳細驗證其各項功能和指標。如果發(fā)現問(wèn)題，還需返回前有關(guān)步驟加以修改和完善?？删幘兡M器件設計的基本流程圖如圖2所示。

　　該流程主要在微機上利用開(kāi)發(fā)工具完成，基本可做到“所見(jiàn)即所得”。以往由于元件超差、接觸不良等實(shí)際因素造成的延誤和返工可基本消除，對設計者的要求也大大降低。

　　3 主流器件與核心技術(shù)

　　FAS公司（http://www.zetex.com）的TRAC系列現有TRAC020、TRAC020LH（微功耗版本）、ZXF36Lxx(模擬門(mén)陣列)等器件，采用電壓運行算技術(shù)一一以隨時(shí)間連續變化的模擬電壓為信號參量。其CAB由運放配置電阻、電容、多路模擬開(kāi)關(guān)等組成，可編程互連網(wǎng)也主要利用模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現。利用配置數據控制多路模擬開(kāi)發(fā)即可改變CAB的內部連接（即功能組態(tài)）；改變一組按特定規律取值的同類(lèi)元件（電阻或電容）之間的連接關(guān)系，獲得所需的等效元件取值；改變各CAB間的信號傳遞關(guān)系等。 

    該系列具有接近常規器件的優(yōu)良特性（如閉環(huán)帶寬可達12MHz），面向模擬計算的器件結構和便于向ASIC移植的產(chǎn)品線(xiàn)。其CAB具有加（ADD）、取負（NEG）、對數（LOG）、反對數（ANT）、積分（AUX-def）、微分（AUX-int）等運行型功能組態(tài)，設計得可根據設計目標的數字描述或信號流圖，利用開(kāi)發(fā)工具以繪制框圖方式完成電路設計而無(wú)須考慮其內部細節。缺點(diǎn)是可編程能力較強，器件內部連接基本固定（參見(jiàn)圖3），僅能利用NIP（直通）和OFF（斷開(kāi)）功能組態(tài)或外部連接線(xiàn)（Link）等加以改變；器件內電阻等元件均取值固定，須外接RC元件來(lái)改變有關(guān)的電路參數。設計過(guò)程的自動(dòng)化程度和電路的整體集成度也因而降低。

　　Lattice公司的ispPAC系列等采用跨導運算技術(shù)，以模擬電流作為主要信號參量，以跨導運算放大器（OTA）取代電壓運算放大器，以基于OTA的有源元件取代部分無(wú)源元件。該類(lèi)器件利用D/A轉換器按照配置數據改變OTA的偏置電流，從而改變其互導增益gm和電壓放大器增益Au，實(shí)現對CAB的配置和參數調整。由于在IC中易于改變且調整范圍較大，控制精確較高，因此該類(lèi)器件的參數變化范圍和分辨率均可顯著(zhù)提高。此外，該類(lèi)器件還具有電流模電流共有的高速、低電壓、低功耗、寬

　　ispPAC系列包括PAC10、PAC20、PAC30等通用型器件和PAC80、PAC82等ISP濾波器。以PAC10為例（參見(jiàn)圖4），其可編程模擬單元（PAC Block）以?xún)蓚€(gè)增益可配置（%26;#177;1～%26;#177;10）的跨導型儀表放大器作為輸入級，以運放、有源反饋元件（跨導放大器）和電容陣列（7個(gè)電容可組合出128種等效電容）等構成輸出級，可實(shí)現放大、迭加、積分和濾波等功能且精度較高；其模擬布線(xiàn)池可靈活地配置器件內部及其與引腳之間的連接關(guān)系；自校準單元可自動(dòng)測量輸出失調并利用專(zhuān)用DAC加以補償；ISP接口支持在系統編程和數據保密。因此，ispPAC的電路性能與可編程能力俱佳。PAC20等還配有DAC和遲滯比較器，僅需單片便可構成的監控系統。 

　　Anadigm公司（www.anadigm.com）的AN10E40器件則采用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)（同MOTOROLA原產(chǎn)的MPAA020），通過(guò)改變電容比或開(kāi)關(guān)電容的時(shí)鐘頻率來(lái)配置電路參數。其內部為典型的陣列式結構（參見(jiàn)圖1），由CAB、模擬I/O單元和分布其間的布線(xiàn)資源及可編程時(shí)鐘資源等組成，信號帶寬約250kHz。其CAB由運放、電子開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)電容等組成（參見(jiàn)圖5），對信號來(lái)原、去向和各電容容量（均有256種選擇）等均可靈活配置?？删幊虝r(shí)鐘資源則為各開(kāi)關(guān)電容提供所需的時(shí)鐘頻率（共32種分頻比）和相位（每種頻率4種）。這樣，單個(gè)CAB即可實(shí)現整流器、放大器、可編程比較器和一階濾波器等信號調理功能；將多個(gè)CAB加以組合、連接，便可實(shí)現高階濾波器、脈寬調制器等更為復雜的電路。由于現有IC工藝可制造的電阻和電容范圍有很且誤差較大，而電容比的制造精度較高（<0.1%），因此該類(lèi)器件的電路精度較高，可編程能力較強而制造成本較低，但信號帶寬較小，內部噪聲較大。

　　此外，一旦低成本的可編程電流鏡或模擬乘法器研制成功，具備兼容數字IC工藝等多種優(yōu)勢的開(kāi)關(guān)電流技術(shù)便可應用于可編程模擬器件，極大地降低其成本并提升其性能。 

　　目前，可編程模擬器件已在數據采集、信號處理、僅器儀表、控制與監測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、電路實(shí)驗等重要領(lǐng)域得到應用，其典型應用包括信號調理、模擬計算、中高頻應用、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、電路進(jìn)化設計（EHW）等。盡管可編程模擬器件問(wèn)世不久，有關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品仍顯稚嫩，但其內在的便利性和經(jīng)濟性以及作為其數字域對應物的可編程邏輯器件的成功經(jīng)歷，都使我們有理由相信：在不遠的將不，可編程模擬器件的技術(shù)必將日益成熟，器件品種必將日益豐富，最終成為模擬電路設計和應用中的首選器件。