可編程模擬器件

1、摘要：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。可編程模擬器件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。配合相應的開發(fā)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(shù)字器件相比，它具有簡潔、經(jīng)濟、高速度、低功耗等優(yōu)勢；而與普通模擬電路相

2、比，它又具有全集成化、適用性強，便于開發(fā)和維護等顯著優(yōu)點，并可作為模擬ASIC開發(fā)的中間媒介和低風險過渡途徑。因此，它非凡適用于小型化、低成本、中低精度電子系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，未來其應用將會日益廣泛。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)場可編程模擬陣列和在系統(tǒng)可編程模擬電路兩大類。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、可編程互連網(wǎng)絡、配置邏輯、配置數(shù)據(jù)存儲器、模擬IO單元等幾大部分，如圖1所示。模擬IO

3、單元等與器件引腳相連，負責對輸入、輸出信號進行驅(qū)動和偏置、配置邏輯通過串行、并行總線或在系統(tǒng)編程方式，接收外部輸入的配置數(shù)據(jù)并存入配置數(shù)據(jù)存儲器；配置數(shù)據(jù)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(shù)十位至數(shù)千位不等；可編程互連網(wǎng)絡是多輸入、多輸出的信號交換網(wǎng)絡，受配置數(shù)據(jù)控制，完成各CAB之間及其與模擬IO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

4、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弱和應用范圍的主要因素。數(shù)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公司的FIPSOC系列為例，它既包含有模擬的可編程單元和互連網(wǎng)絡，又包含有由邏輯宏單元和開關(guān)矩組成的FPGA，還

5、包含有AD、DA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)的開發(fā)與實現(xiàn)。但其模擬部分的規(guī)模較小，主要面向數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控等特定應用。器增益Au，實現(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、寬動態(tài)范圍、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。ispPAC系列包括PAC10、PAC20、PAC30等通用型器

6、件和PAC80、PAC82等ISP濾波器。以PAC10為例，其可編程模擬單元以兩個增益可配置的跨導型儀表放大器作為輸入級，以運放、有源反饋元件和電容陣列等構(gòu)成輸出級，可實現(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；自校準單元可自動測量輸出失調(diào)并利用專用DAC加以補償；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

7、器，僅需單片便可構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)。Anadigm公司的AN10E40器件則采用開關(guān)電容技術(shù)，通過改變電容比或開關(guān)電容的時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IO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(guān)和開關(guān)電容等組成，對信號來原、去向和各電容容量等均可靈活配置?？删幊虝r鐘資源則為各開關(guān)電容提供所需的時鐘頻率和相位。這樣，單個CAB即可實現(xiàn)整流器、放大器、可編

8、程比較器和一階濾波器等信號調(diào)理功能；將多個CAB加以組合、連接，便可實現(xiàn)高階濾波器、脈寬調(diào)制器等更為復雜的電路。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，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(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)勢的開關(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