可編程模擬器件原理與開發(fā)

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(fā)流程,列舉了主流器件系列,并說明其核心技術(shù),展望了可編程模擬器件的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:可編程模擬器件;模擬可編程技術(shù)

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(xiàn)場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,它具有簡潔、經(jīng)濟(jì)、高速度、低功耗等優(yōu)勢;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。模擬I/O單元等與器件引腳相連,負(fù)責(zé)對輸入、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: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;分解與綜合,即對各功能模塊進(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;布局布線,即確定各電路要素與器件資源之間的對應(yīng)關(guān)系以及器件內(nèi)部的信號(hào)連接等。可自動(dòng)或手動(dòng)完成;設(shè)計(jì)驗(yàn)證,即對設(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;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;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;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(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。

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)、對數(shù)(LOG)、反對數(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,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,其可編程模擬單元(PAC Block)以兩個(gè)增益可配置(±1～±10)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),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,對信號(hào)來原、去向和各電容容量(均有256種選擇)等均可靈活配置?？删幊虝r(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。

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、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。