可編程模擬器件原理與開發

呂文晶

摘 要:本文介紹了可編程模擬器件的基本原理和開發流程,列舉了主流器件系列,并說明其核心技術,展望了可編程模擬器件的發展前景。

關鍵詞:可編程模擬器件;模擬可編程技術

可編程模擬器件(ProgrammableAnalogDevice)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,可由用戶通過現場編程和配置來改變其內部連接和元件參數從而獲得所需要的電路功能。配合相應的開發工具,其設計和使用均可與可編程邏輯器件同樣方便、靈活和快捷。與數字器件相比,它具有簡潔、經濟、高速度、低功耗等優勢;而與普通模擬電路相比,它又具有全集成化、適用性強,便于開發和維護(升級)等顯著優點,并可作為模擬ASIC開發的中間媒介和低風險過渡途徑。因此,它特別適用于小型化、低成本、中低精度電子系統的設計和實現,未來其應用將會日益廣泛。

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可編程模擬陣列(FPAA)和在系統可編程模擬電路(ispPAC)兩大類。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)、可編程互連網絡(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。模擬I/O單元等與器件引腳相連,負責對輸入、輸出信號進行驅動和偏置、配置邏輯通過串行、并行總線或在系統編程(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;可編程互連網絡是多輸入、多輸出的信號交換網絡,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、開關陣列等共同構成。各元件取值及相互間連接關系等均受配置數據控制,從而呈現不同的CAB功能組態和元件參數組合,以實現用戶所需的電路功能。CAB的性能及其功能組態和參數相合的數目,是決定可編程模擬器件功能強弱和應用范圍的主要因素。數模混俁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(數模混合現場可編程片上系統)為例,它既包含有模擬的可編程單元和互連網絡,又包含有由邏輯宏單元和開關矩組成的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)的開發與實現。但其模擬部分的規模較小,主要面向數據采集、實時監控等特定應用。

2 基本開發流程可編程模擬器件開發的主要步驟依次為:電路表達,即根據設計任務,結合所選用的可編程模擬器件的資源、結構特點,初步確定設計方案;分解與綜合,即對各功能模塊進行細化,并利用開發工具輸入或調用宏函數自動生成電原理圖;布局布線,即確定各電路要素與器件資源之間的對應關系以及器件內部的信號連接等。可自動或手動完成;設計驗證,即對設計進行仿真(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足功能和指標要求。如果不滿足,應返回上一步驟進行修改;由開發工具自動生成當前設計的編程數據和文件;器件編程,即將編程數據寫入器件內部的配置數據存儲順。一般通過在線配置方式完成,也可利用通用編程器脫機編程;電路實測,即利用儀器對配置后的器件及電路進行實際測試,詳細驗證其各項功能和指標。如果發現問題,還需返回前有關步驟加以修改和完善。

流程主要在微機上利用開發工具完成,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FAS公司(http://www.zetex.com)的TRAC系列現有TRAC020、TRAC020LH(微功耗版本)、ZXF36Lxx(模擬門陣列)等器件,采用電壓運行算技術一一以隨時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、多路模擬開關等組成,可編程互連網也主要利用模擬開關實現。利用配置數據控制多路模擬開發即可改變CAB的內部連接(即功能組態);改變一組按特定規律取值的同類元件(電阻或電容)之間的連接關系,獲得所需的等效元件取值;改變各CAB間的信號傳遞關系等。

該系列具有接近常規器件的優良特性(如閉環帶寬可達12MHz),面向模擬計算的器件結構和便于向ASIC移植的產品線。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,設計得可根據設計目標的數字描述或信號流圖,利用開發工具以繪制框圖方式完成電路設計而無須考慮其內部細節。缺點是可編程能力較強,器件內部連接基本固定,僅能利用NIP(直通)和OFF(斷開)功能組態或外部連接線(Link)等加以改變;器件內電阻等元件均取值固定,須外接RC元件來改變有關的電路參數。設計過程的自動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,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源元件。該類器件利用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,因此該類器件的參數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、寬動態范圍、高穩定性等優點。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,其可編程模擬單元(PAC Block)以兩個增益可配置(±1～±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個電容可組合出128種等效電容)等構成輸出級,可實現放大、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部及其與引腳之間的連接關系;自校準單元可自動測量輸出失調并利用專用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器件則采用開關電容技術(同MOTOROLA原產的MPAA020),通過改變電容比或開關電容的時鐘頻率來配置電路參數。其內部為典型的陣列式結構,由CAB、模擬I/O單元和分布其間的布線資源及可編程時鐘資源等組成,信號帶寬約250kHz。其CAB由運放、電子開關和開關電容等組成,對信號來原、去向和各電容容量(均有256種選擇)等均可靈活配置。可編程時鐘資源則為各開關電容提供所需的時鐘頻率(共32種分頻比)和相位(每種頻率4種)。這樣,單個CAB即可實現整流器、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CAB加以組合、連接,便可實現高階濾波器、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。

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、人工神經網絡、電路實驗等重要領域得到應用,其典型應用包括信號調理、模擬計算、中高頻應用、人工神經網絡、電路進化設計(EHW)等。盡管可編程模擬器件問世不久,有關的技術與產品仍顯稚嫩,但其內在的便利性和經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。