基于數字控制線性可調OTA的FPAA

劉斌，李志軍，曾以成，楊峻，張姣

1.湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭 411105

2.湘潭大學光電工程系，湖南湘潭 411105

基于數字控制線性可調OTA的FPAA

劉斌1，李志軍1，曾以成2，楊峻1，張姣1

1.湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭 411105

2.湘潭大學光電工程系，湖南湘潭 411105

1 引言

現場可編程模擬陣列（FPAA）是近年來嶄露頭角的一類新型集成電路。該類器件可根據現場的實際需要，通過數字編程改變器件的內部配置來實現所需要的電路功能和參數調節，在工業自動化、衛星通信系統、航空航天、語音信號處理等領域有著廣泛的應用前景[1-3]。

對FPAA的研究，國外開始于20世紀80年代。國內相對較晚，到目前為止，FPAA的研究和應用仍處于起步階段，種類少且功能有限。現有的研究型芯片以美國JPL實驗室的FPTA平臺為代表，商業型芯片以美國Lattice公司的ispPAC系列和Anadigm公司的AN10E04平臺等為代表。基于開關電容技術實現的FPAA，系統帶寬受到時鐘和采樣頻率的限制，如細粒度的FPTA工作頻率僅為100 KHz左右，ispPAC系列的帶寬在1 MHz左右，Anadigm公司最新的AN10E04也僅2 MHz[4]。同樣，基于開關電流技術實現的CAB存在帶寬窄和開關噪聲大等固有缺點，且信號輸入CAB單元之前必須經過“預濾波”，輸出信號也必須經過“后濾波”（低通平滑濾波）才能聯結至輸出端，增加了電路的復雜度和功耗[5]。采用基于跨導運算放大器（OTA）實現的FPAA具有典型的電流模式電路的特點，可以提高電路的線性度，展寬電路的頻帶寬度，降低電源電壓。但遺憾的是基本OTA的跨導值gm與偏置電流的平方根成正比，不能實現線性可調[6-7]。

在集成工藝中，電容一般采用MOS級間電容實現，現有的可編程電容矩陣需要大量的MOS陣列和開關陣列來實現電容的調節，且CMOS傳輸門本身的寄生電容對可編程電容的影響很大[8-9]。另外，在可編程互連網絡的拓撲結構方面，現有的兩種拓撲結構在可編程能力和可編程開關數量方面存在不可調和的矛盾：局部連接開關數量少，編程控制能力相對較弱，實現的功能相對也較少；全局連接雖然實現的功能較多，但開關噪聲對電路的性能影響較大[10]。

針對上述研究中的不足，本文采用差分式POTA為核心單元電路設計出一款低功耗、高性能的FPAA。與同類電路[4-10]相比，提出的FPAA電路具有以下優點：

（1）采用電流模式技術，提高電路的線性度，展寬電路的頻帶寬度，降低了電源電壓和功耗；

（2）采用設計的電容倍增電路取代通用的電容矩陣，減少了寄生電容對電路性能的影響；

（3）采用六邊形內部連接網絡的拓撲結構和開關共享技術，抑制了開關噪聲對電路性能的影響。

2 現場可編程模擬陣列設計

2.1 差分式數字控制線性可調跨導運算放大器（POTA）

圖1為差分式數字控制線性可調跨導運算放大器，它由2個差分跨導電路（一個NMOS差分跨導電路和一個PMOS差分跨導電路），1個AB電流鏡和1個可編程電流鏡（Programmable Current Mirror Array，PCMA）組成，其中電流IBB為AB電流鏡的偏置電流，IB為PCMA基準電流，Δνin=νin+-νin-為輸入電壓，Iout+為正向輸出電流，Iout-為反向輸出電流。其工作原理與文獻[11]中提出的DL-OTA相同，所不同的是，這里采用PCMA代替DL-OTA中的電流分配網絡（CDN）。

n位PCMA電路如圖2所示。其中，IB為基準電流，由n組開關Si(i=0，1，…，n-1)來實現對輸入電流Iin的控制。當開關Si閉合時，ai=1；當Si斷開時，ai=0。忽略開關Si的非理想特性，則輸出電流Iin為：

圖1 差分式數字控制線性可調OTA結構及符號

圖2 可編程電流鏡陣列

從式（2）可以看出，POTA的跨導值(gm)與PCMA的電流增益α和基準電流IB均成線性關系，當保持AB電流鏡的偏置電流IBB和PCMA的基準電流IB恒定時，通過調節PCMA的電流增益α即可實現跨導gm的線性調節。在本設計中，AB電流鏡的偏置電流IBB設置為100 μA，PCMA的基準電流IB設置為10 μA。由文獻[11]IB與IBB的限制關系（即|Iin|≤2IBB）可知，PCMA只需取5位控制字即可滿足要求（根據式（1）可知5位PCMA的最小和最大輸出電流分別為10 μA和310 μA，最小調節步長為10 μA）。表1給出了該POTA的仿真結果。

表1 差分式數字控制線性可調OTA仿真結果

2.2 可編程電容倍增器

為了減少寄生電容對電路性能的影響，采用可編程電容倍增器（Programmable Capacitance Multiplier，PCM）取代通用電容矩陣。設計的基于POTA的可編程電容倍增器如圖3所示，由3個POTA和1個接地電容C組成，其中POTA1和POTA3為單端輸出，POTA2為三端輸出。由圖3可得：

圖3 電容倍增器

從上式可以看出，提出的電路可以等效為一個電容倍增器，其等效容值為：

結合式（3）～（6）可得電路的等效輸入阻抗為：

將式（2）代入上式，可得：

由式（9）可看出，提出的電容倍增器的等效容值與接地電容C成線性關系，通過改變PCMA的電流增益α1和α3的比值即可實現對其的調節。為使調節起來更加方便，將其中一個電流增益固定而調節另一個。在本設計中，將電流增益α2和α3均設置為常量1（可通過不接PCMA模塊實現），接地電容C設置為5 pF，通過調節α1的大小來確定PCM的等效容值。為確保設計的PCM能獲得一個較大的集成電容，選擇10位的PCMA來調節POTA1，從而該PCM的等效電容CEQ的最小和最大有效值分別為5 pF和5 115 pF，最小調節步長為5 pF。

表2為電容倍增器隨電容增益(Km)改變時，所等效的電容值與理論值的偏差。由表2可看出，當電容增益在1～1 000倍內改變時，誤差不超過2.2%。

表2 電容倍增器在不同倍乘增益時所取得的電容值與理論計算值的偏差

用僅由3個POTA和1個接地電容C實現的PCM取代通用的電容矩陣，將具有以下優點：（1）擴大了集成電容的調節范圍，且調節方便；（2）減少了寄生電容對電路性能的影響，提高了集成度，減小了芯片的面積。

2.3 可重構模擬單元

可重構模擬單元（CAB）是可重構模擬電路中的基本功能單位，基于POTA的可重構模擬單元結構如圖4所示，由1個主POTA，1個PCM和可編程開關組成。主POTA進行信號放大，PCM實現電容編程。CAB的參數設計為：

圖4 基于差分式線性可調OTA的CAB結構圖

（1）采用5位的PCMA控制主POTA，PCMA的基準電流IB取10 μA。由式（1）可知該PCMA的最小和最大輸出電流分別為10 μA和310 μA，最小調節步長為10 μA。

（2）采用10位的PCMA控制PCM中的POTA1，POTA2和POTA3通過不接PCMA模塊實現其電流增益為1，接地電容C取5 pF。由式（1）知該PCM等效電容CEQ的最小和最大有效值分別為5 pF和5 115 pF，最小調節步長為5 pF。

（3）CAB電路配置需要27位控制字（2個PCMA：5+ 10=15位，Switches：12位）。CAB配置信息存儲在移位寄存器中，通過寫寄存器對CAB參數進行設定。

2.4 現場可編程模擬陣列

采用六邊形互連網絡拓撲結構的可編程模擬陣列，如圖5所示[12]。設陣列規模為4×7，包含28個CAB單元和18個I/O端口。

圖54 ×7可重構模擬陣列

（1）互連網絡結構描述

CAB單元電路（見圖4）內部12個可編程開關及其所在互連導線在互連網絡中所起的作用為：

①S1～S4，對輸入輸出主POTA的信號起通斷和反相作用；

②S5，控制CAB內部信號自反饋；

③S6～S11，控制CAB之間信號傳輸，也可復用為控制CAB內部信號自反饋；

④S12，控制主POTA與可編程電容倍增器之間的通斷。

（2）輸入輸出端口規則

22 個端口的輸入輸出特性由實際被重構電路的布局結構所決定，所有端口在一定情況下可靈活復用；正負特性由主POTA確定，即與主POTA正輸入端相連接的為正端口，反之為負端口。

（3）配置數據長度分析

每個可編程開關需1 bit配置控制位。圖5中m×n可重構模擬陣列(m≥1，n≥1)，從左到右看，每列m個CAB與右側相鄰列的CAB共用(2m-1)個可編程開關，n列規模則共用(2m-1)×(n-1)個；從上往下看，每列m個上下相鄰CAB共用(m-1)個開關，n列規模則需(m-1)×n個。則配置位長L為：

L=27mn-(2m-1)×(n-1)-(m-1)×n（10）

3 應用實例及結果分析

3.1 可調諧六階巴特沃斯通用濾波器

為了驗證電路的正確性，采用提出的FPAA電路設計了一個可調諧六階巴特沃斯通用濾波器[13]。如圖6所示，該濾波器由13個POTA和6個電容組成，這里電容用PCM代替。

由文獻[13]，任意的電流模式濾波器的傳輸函數可以描述為：

根據POTA的端口特性可以求出圖6電路的傳遞函數：

圖6 六階巴特沃斯通用濾波器

其中τi為積分器的時間常數，Ki為POTA的跨導比例系數，可以分別表示為：

取fP=1 MHz，令K6=K5=K4=K3=K2=K1=1（通過設置13個POTA的PCMA的電流增益α=10實現，即Iin=100 μA，對應的控制字為01010），由式（15）可得6個電容的值分別為：

3.2 仿真結果分析

利用PSPICE軟件，采用臺積電TSMC 0.5 μm CMOS工藝參數[14]，搭建了4×7規模陣列的MOS管級仿真電路。設置電源電壓VDD=-VSS=1.5 V，POTA中AB電流鏡的偏置電流IBB=100 μA，PCMA的基準電流IB=10 μA，接地電容C=5 pF，可編程開關采用壓控型開關模型模擬。靜態時，通過仿真測試單個CAB的靜態功耗僅為9.32 mW。

對于圖6的六階巴特沃斯通用濾波器，設置13個POTA的PCMA的電流增益α均為10（即Iin=100 μA，對應的控制字為01010），并設置6個PCM的PCMA的電流增益α分別為1，2，3，5，8，15，即CEQ6=5 pF，CEQ5=10 pF，CEQ4=15 pF，CEQ3=25 pF，CEQ2=40 pF，CEQ1=75 pF，對應的控制字分別為0000000001，0000000010，0000000011，0000000101，0000001000，0000001111，對電路進行PSPICE仿真后的結果如圖7所示。

圖7 六階巴特沃斯濾波器幅頻響應

經測試低通濾器的截止頻率為為98.97 KHz，高通濾波器的截止頻率為1.03 MHz，帶通濾波器的中心頻率為1.02 MHz。圖8為六階巴特沃斯帶通濾波器在13個POTA的PCMA的電流增益α同時改變，或6個PCM的等效容值依據式（15）按比例同時變化時的幅頻特性響應曲線。由圖8可知，該帶通濾波器的可調范圍為9.15 KHz～1.76 MHz。

圖8 可調諧六階巴特沃斯帶通濾波器幅頻響應

4 結論

本文提出了一款新型的低功耗、高性能FPAA電路。CAB單元采用設計的差分式數字控制線性可調OTA，提高了電路的線性度和抗共模干擾能力，改善了電路的高頻性能。使用設計的電容倍增器取代通用的電容矩陣，減少了寄生電容對可編程電容的影響。為了抑制開關噪聲對電路性能的影響，采用了六邊形內部連接網絡的拓撲結構和開關共享技術。作為應用，將提出的FPAA電路重構了一個可調諧六階巴特沃斯通用濾波器，通過調節相應開關的控制字可實現電路拓撲結構和參數的改變，從而實現不同的濾波類型和極點頻率的調節。電路的PSPICE仿真結果與理論分析完全吻合。

[1]Strukov D B，Likharev K K.Reconfigurable hybrid CMOS/ nanodevicecircuitsforimageprocessing[J].IEEETransactions on Nanotechnology，2007，6（6）：696-7l0.

[2]Fathima Jabeen A.Autonomous reconfiguration using FPAA for bandwidth recovery in satellite subsystems[J].International Journal of Computer Science and Network Security，2008，8（7）：132-137.

[3]Hintea S，Farago P，Festila L，et al.Reconfigurable filter design for implantable auditory prosthesis[J].Electronics and Electrical Engineering，2010，99（3）：7-12.

[4]馬偉偉，王友仁.基于跨導運算放大器OTA的可重構模擬電路及應用設計[J].電子與信息學報，2009，31（7）：1775-1778.

[5]Halima M B，Fakhfahk M，Loulou M.A switched current based FPAA macrocell for mixed mode signal processing systems[C]// Proceedings of the IEEE Workshop on Signal Processing Systems Design and Implementation，2005：143-147.

[6]Pankiewicz B，Wojcikowski M，Szcepanski S.A CMOS field programmable analog array and its application OTA-C filter design[C]//Proceedings of the 2001 IEEE International Symposium on Circuits and Systems，Sydney，Australia，2001：5-8.

[7]Pankiewicz B，Wojcikowski M，Szcepanski S，et al.A field programmable analog array for CMOS continuous time OTA-C filterapplications[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits，2002，37（2）：125-136.

[8]Ahmed H M，Soliman A M，Ahmed M S.Configurable analog block based on CFOA and its application[J].WSEAS Transaction on Electronics，2008，5（6）：220-225.

[9]王友仁，祝鳴濤，崔江.面向多功能模擬信號處理的可重構模擬陣列研究[J].儀器儀表學報，2010，31（6）：1269-1275.

[10]Hall S T，Hasler P.Field-programmable analog arrays enable analog signal processing education[C]//Proceedings of the ASEE Southeast Section Conference，2005：1-9.

[11]Li Z J，Zeng Y C，Liu B.A novel OTA with digitally controlled and linearly tunable transconductance[C]//Proceedings of International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks（CECNet’2012），Yichang，China，2012：64-67.

[12]Becker J，Manoli Y.A continuous-time Field Programmable Analog Array（FPAA）consisting of digitally reconfigurable GM-cells[C]//Proceedings of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems（ISCAS’2004），Bangkok，Thailand，2004：1092-1095.

[13]李志軍，王春華，劉榮.任意電流模式濾波器的綜合實現[J].通信學報，2010，31（8）：60-65.

[14]劉高輝，馬曉波.5.2 GHz CMOS功率放大器設計[J].計算機工程與應用，2011，47（35）：81-87.

LIU Bin1,LI Zhijun1,ZENG Yicheng2,YANG Jun1,ZHANG Jiao1

1.College of Information Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,China
2.Department of Optoelectronic Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,China

A low-power,high-performance Field Programmable Analog Array（FPAA）based on digitally controlled linearly tunable operational transconductance amplifier（called as POTA）is proposed.Reconfigurable Analog Block（CAB）,which consists of the proposed POTA,can improve the performance of high frequency response and anti-interference ability for coping with common-mode noise in FPAA circuit.To reduce the influence of parasitic capacitance,a capacitance multiplier,which is used to replace the common capacitance matrix,is designed.By using the hexagonal interconnection network topology and the switch sharing technology,a better programmability is achieved,meanwhile,the number of programmable switches and switching noise are reduced.A tunable six-order Butterworth universal filter has been reconfigured with 4×7 FPAA as the application,its filtering type and pole frequency regulation can be tuned by changing the circuit topology or circuit parameters,respectively, which can be achieved by adjusting the control words of the corresponding switches.Pspice simulation results show that the proposed FPAA circuit is effective.

Field Programmable Analog Array（FPAA）;Reconfigurable Analog Block（CAB）;capacitance multiplier;hexagonal interconnection network topology

提出了一款基于差分式數字控制線性可調跨導運算放大器（POTA）的低功耗、高性能的現場可編程模擬陣列（FPAA）。可重構模擬單元（CAB）采用差分式POTA電路，提高了電路高頻性能和抗共模干擾能力。為了減少通用電容矩陣中寄生電容對電路性能的影響，設計了一款電容倍增器。采用六邊形互連網絡拓撲結構和開關共享技術，使各CAB之間實現了較好的可編程能力，同時減少了可編程開關數量及開關噪聲對電路性能的影響。作為應用，在4×7陣列結構上重構實現了一個可調諧六階巴特沃斯通用濾波器，通過調節相應開關的控制字可實現電路拓撲結構和參數的改變，從而實現不同的濾波類型和極點頻率的調節。電路的性能通過Pspice仿真得到了驗證。

現場可編程模擬陣列；可編程模擬單元；電容倍增器；六邊形互連網絡拓撲結構

A

TN432

10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0242

LIU Bin,LI Zhijun,ZENG Yicheng,et al.FPAA based on digitally controlled linearly tunable OTA.Computer Engineering and Applications,2013,49（19）：49-53.

國家自然科學基金（No.61176032）；湖南省重點學科資助項目。

劉斌（1987—），男，碩士，主要研究方向為集成電路設計與應用；李志軍（1973—），男，博士，副教授，碩士生導師，研究領域為電流模式電路和數模混合集成電路；曾以成（1962—），男，教授，博士生導師，研究領域為非線性電路，混沌信號處理，語音信號處理。E-mail：liubin_1014@yahoo.cn

2012-12-20

2013-03-11

1002-8331（2013）19-0049-05