可編程模擬器件原理與開發(fā)

可編程模擬器件（Programmable Analog Device）是近年來嶄露頭角的一類新型集成電路。它既屬于模擬集成電路，又同可編程邏輯器件一樣，可由用戶通過現(xiàn)場(chǎng)編程和配置來改變其內(nèi)部連接和元件參數(shù)從而獲得所需要的電路功能。配合相應(yīng)的開發(fā)工具，其設(shè)計(jì)和使用均可與可編程邏輯器件同樣方便、靈活和快捷。與數(shù)字器件相比，它具有簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、高速度、低功耗等優(yōu)勢(shì)；而與普通模擬電路相比，它又具有全集成化、適用性強(qiáng)，便于開發(fā)和維護(hù)（升級(jí)）等顯著優(yōu)點(diǎn)，并可作為模擬ASIC開發(fā)的中間媒介和低風(fēng)險(xiǎn)過渡途徑。因此，它特別適用于小型化、低成本、中低精度電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，未來其應(yīng)用將會(huì)日益廣泛。



1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本原理

通用型可編程模擬器件主要包括現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列（FPAA）和在系統(tǒng)可編程模擬電路（ispPAC）兩大類。二者的基本結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)責(zé)對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和偏置、配置邏輯通過串行、并行總線或在系統(tǒng)編程（ISP）方式，接收外部輸入的配置數(shù)據(jù)并存入配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)十位至數(shù)千位不等；可編程互連網(wǎng)絡(luò)是多輸入、多輸出的信號(hào)交換網(wǎng)絡(luò)，受配置數(shù)據(jù)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(hào)傳遞；CAB是可編程模擬器件的基本單元，一般由運(yùn)行放大器或跨導(dǎo)放大器配合外圍的可編程電容陣列、電阻陣列、開關(guān)陣列等共同構(gòu)成。各元件取值及相互間連接關(guān)系等均受配置數(shù)據(jù)控制，從而呈現(xiàn)不同的CAB功能組態(tài)和元件參數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)用戶所需的電路功能。CAB的性能及其功能組態(tài)和參數(shù)相合的數(shù)目，是決定可編程模擬器件功能強(qiáng)弱和應(yīng)用范圍的主要因素。 數(shù)?；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(shù)?；旌犀F(xiàn)場(chǎng)可編程片上系統(tǒng)）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關(guān)矩組成的FPGA，還包含有A/D、D/A轉(zhuǎn)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(tǒng)（SOC）的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。但其模擬部分的規(guī)模較小，主要面向數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控等特定應(yīng)用。 2 基本開發(fā)流程 可編程模擬器件開發(fā)的主要步驟依次為：（1）電路表達(dá)，即根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，結(jié)合所選用的可編程模擬器件的資源、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定設(shè)計(jì)方案；（2）分解與綜合，即對(duì)各功能模塊進(jìn)行細(xì)化，并利用開發(fā)工具輸入或調(diào)用宏函數(shù)自動(dòng)生成電原理圖；（3）布局布線，即確定各電路要素與器件資源之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及器件內(nèi)部的信號(hào)連接等?？勺詣?dòng)或手動(dòng)完成；（4）設(shè)計(jì)驗(yàn)證，即對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真（根據(jù)器件模型和輸入信號(hào)等，計(jì)算并顯示電路響應(yīng)），以初步確定當(dāng)前設(shè)計(jì)是否滿足功能和指標(biāo)要求。如果不滿足，應(yīng)返回上一步驟進(jìn)行修改；（5）由開發(fā)工具自動(dòng)生成當(dāng)前設(shè)計(jì)的編程數(shù)據(jù)和文件；（6）器件編程，即將編程數(shù)據(jù)寫入器件內(nèi)部的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順。一般通過在線配置方式完成，也可利用通用編程器脫機(jī)編程；（7）電路實(shí)測(cè)，即利用儀器對(duì)配置后的器件及電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，詳細(xì)驗(yàn)證其各項(xiàng)功能和指標(biāo)。如果發(fā)現(xiàn)問題，還需返回前有關(guān)步驟加以修改和完善?？删幘兡M器件設(shè)計(jì)的基本流程圖如圖2所示。 該流程主要在微機(jī)上利用開發(fā)工具完成，基本可做到“所見即所得”。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(duì)設(shè)計(jì)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(xiàn)有TRAC020、TRAC020LH（微功耗版本）、ZXF36Lxx(模擬門陣列)等器件，采用電壓運(yùn)行算技術(shù)一一以隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬電壓為信號(hào)參量。其CAB由運(yùn)放配置電阻、電容、多路模擬開關(guān)等組成，可編程互連網(wǎng)也主要利用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。利用配置數(shù)據(jù)控制多路模擬開發(fā)即可改變CAB的內(nèi)部連接（即功能組態(tài)）；改變一組按特定規(guī)律取值的同類元件（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(hào)傳遞關(guān)系等。



該系列具有接近常規(guī)器件的優(yōu)良特性（如閉環(huán)帶寬可達(dá)12MHz），面向模擬計(jì)算的器件結(jié)構(gòu)和便于向ASIC移植的產(chǎn)品線。其CAB具有加（ADD）、取負(fù)（NEG）、對(duì)數(shù)（LOG）、反對(duì)數(shù)（ANT）、積分（AUX-def）、微分（AUX-int）等運(yùn)行型功能組態(tài)，設(shè)計(jì)得可根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)字描述或信號(hào)流圖，利用開發(fā)工具以繪制框圖方式完成電路設(shè)計(jì)而無(wú)須考慮其內(nèi)部細(xì)節(jié)。缺點(diǎn)是可編程能力較強(qiáng)，器件內(nèi)部連接基本固定（參見圖3），僅能利用NIP（直通）和OFF（斷開）功能組態(tài)或外部連接線（Link）等加以改變；器件內(nèi)電阻等元件均取值固定，須外接RC元件來改變有關(guān)的電路參數(shù)。設(shè)計(jì)過程的自動(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(dǎo)運(yùn)算技術(shù)，以模擬電流作為主要信號(hào)參量，以跨導(dǎo)運(yùn)算放大器（OTA）取代電壓運(yùn)算放大器，以基于OTA的有源元件取代部分無(wú)源元件。該類器件利用D/A轉(zhuǎn)換器按照配置數(shù)據(jù)改變OTA的偏置電流，從而改變其互導(dǎo)增益gm和電壓放大器增益Au，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAB的配置和參數(shù)調(diào)整。由于在IC中易于改變且調(diào)整范圍較大，控制精確較高，因此該類器件的參數(shù)變化范圍和分辨率均可顯著提高。此外，該類器件還具有電流模電流共有的高速、低電壓、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。 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（參見圖4），其可編程模擬單元（PAC Block）以兩個(gè)增益可配置的跨導(dǎo)型儀表放大器作為輸入級(jí)，以運(yùn)放、有源反饋元件（跨導(dǎo)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(gòu)成輸出級(jí)，可實(shí)現(xiàn)放大、迭加、積分和濾波等功能且精度較高；其模擬布線池可靈活地配置器件內(nèi)部及其與引腳之間的連接關(guān)系；自校準(zhǔn)單元可自動(dòng)測(cè)量輸出失調(diào)并利用專用DAC加以補(bǔ)償；ISP接口支持在系統(tǒng)編程和數(shù)據(jù)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(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)。



Anadigm公司（www.anadigm.com）的AN10E40器件則采用開關(guān)電容技術(shù)（同MOTOROLA原產(chǎn)的MPAA020），通過改變電容比或開關(guān)電容的時(shí)鐘頻率來配置電路參數(shù)。其內(nèi)部為典型的陣列式結(jié)構(gòu)（參見圖1），由CAB、模擬I/O單元和分布其間的布線資源及可編程時(shí)鐘資源等組成，信號(hào)帶寬約250kHz。其CAB由運(yùn)放、電子開關(guān)和開關(guān)電容等組成（參見圖5），對(duì)信號(hào)來原、去向和各電容容量（均有256種選擇）等均可靈活配置。可編程時(shí)鐘資源則為各開關(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(xiàn)整流器、放大器、可編程比較器和一階濾波器等信號(hào)調(diào)理功能；將多個(gè)CAB加以組合、連接，便可實(shí)現(xiàn)高階濾波器、脈寬調(diào)制器等更為復(fù)雜的電路。由于現(xiàn)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%），因此該類器件的電路精度較高，可編程能力較強(qiáng)而制造成本較低，但信號(hào)帶寬較小，內(nèi)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(shù)字IC工藝等多種優(yōu)勢(shì)的開關(guān)電流技術(shù)便可應(yīng)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(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、僅器儀表、控制與監(jiān)測(cè)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電路實(shí)驗(yàn)等重要領(lǐng)域得到應(yīng)用，其典型應(yīng)用包括信號(hào)調(diào)理、模擬計(jì)算、中高頻應(yīng)用、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電路進(jìn)化設(shè)計(jì)（EHW）等。盡管可編程模擬器件問世不久，有關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品仍顯稚嫩，但其內(nèi)在的便利性和經(jīng)濟(jì)性以及作為其數(shù)字域?qū)?yīng)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(yuǎn)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(shè)計(jì)和應(yīng)用中的首選器件。