如何输入自己的可编程模拟电路

如何输入自己的可编程模拟电路
   

通过接口输入模拟电路的描述听起来是构成功能块的一种通用方法。但是，在你收起烙铁之前，应该更多地了解功能块在实际应用中的性能究竟有多好。
　　大多数行业都有其哲学上的激烈争论，如果仅从纯粹的娱乐价值出发，我们的行业具有更多这样的争论也许是一件好事。在我们行业的发展史上，在几乎每次转折之际，具有坚定信念的工程师和技术专家们一直在两中选一地宣扬以下技术的优越性：电子管或晶体管、分立元件或集成电路、精简处理器指令集或复杂处理器指令集、哈佛处理器体系结构或冯·诺伊曼处理器体系结构、CMOS电路或双极电路、单片系统或功能分置，以及模拟电路或数字电路。当然，尽管模拟或数字电路也许非常广泛，但它们部分地属于这些话题。虽然这样的激烈论战促使人们发起了一次又一次热烈的小组讨论会，但是这些小小的争论经常存在相同的概念上的缺陷：在争论目标之前先争论实现技术。
　　不过，这样的争论并非仅仅显示相互对立的、毫无价值的沙文主义。它们有助于指出技术重叠的、工程师们必须在互相竞争的方法中作出选择的领域。作出这样的选择时，经常要在互相竞争的准则和具有互不相关的优势的技术之间进行权衡。为了始终避免将最熟悉的方法与最优方法混为一谈，要适当地把确定选择准则的优先次序、评估各种设计选择的相对优势、平衡折衷方案、为一组目标而优化设计作为每位设计师在每个单独项目环境中必须完成的练习科目。
　　好像这样还不够似的，设计界极少存在雷同；设计界经常是一个"与"另一个的问题，而不是一个"或"另一个的问题。例如，从事模拟设计的OEM通常至少以廉价微控制器的形式使用控制逻辑芯片，或者--多亏混合信号集成技术--使用小型芯核或自制的状态机。更典型的是，模拟电路可用作数字系统的物理接口。
　　几十年来模拟设计界和数字设计界协同发展，而不是像它们常常被误认为的那样，代表对立的学科。它们共同见证了混合信号ASSP（专用标准产品）的巨大成功。当然，尽管混合信号设计取得了巨大进展，模拟学科大体上还没有演进到具有像数字信号器件那样的器件，其功能可以不是通过布线，而是通过编程静态地或顺序地确定。
　　模拟IC制造商以各种方式使用"可编程"这一术语时，多数情况下是用来代替"可调整"一词的。在这种情况下，该术语经常紧挨着一个限定词，如"引脚"或"电阻器"。因此，可编程增益放大器允许人们用固定电阻器、连续可变电阻器或一个由固定电阻器和开关组成的网络来设定闭环增益。许多模拟IC制造商销售可在增益带宽乘积、转换速率和功耗方面进行偏置电流编程的运算放大器。其他一些制造商提供可数字编程的电位器以及其它基于R-DAC的单元，这些单元的行为状态是随一个最常作用于某一参数的数码字而变化的。尽管这些固定不变的功能确实很有用，却仍不能提供人们在考虑比简单组合逻辑更为先进的数字结构时所想到的那种功能可编程性。
　　只有为数不多的公司在模拟IC中提供拓扑可编程性，其中最著名的公司有Zetex公司、Lattice半导体公司和Anadigm公司。这些IC提供可编程连接性以及对模拟信号处理资源的参数控制，而且其制造商经常将其与FPGA相提并论；事实上，Anadigm公司将其器件称为FPAA（现场可编程模拟阵列）。
　　跨接连接
　　尽管从市场接受程度的角度来看，拓扑可编程模拟IC还相对不够成熟，但其制造商正在显示对市场需求的理解日益加深。笔者最近试用的Anadigm公司提供的评估/开发软件包就是一个恰当的例子。该软件包支持Anadigm 公司的AN220E04型FPAA。它附带有一块评估板、AnadigmDesigner2软件、一根串行电缆和文档。文档中有一份24页AN220D04评估板用户手册硬拷贝版本，这份必读材料还附有以电子形式存入CD-ROM中的一份AN220E04用户手册和一份AnadigmDesigner2用户手册。AnadigmDesigner2软件本身包含许多有关其所支持部件的信息，并且通过对上下文敏感的求助功能和类似大家所熟悉的Windows应用程序所提供的求助索引提供这种信息。值得注意的是，可以通过Anadigm公司的各种基于软件的求助功能，获得绝大部分问题的答案。所花时间要比直接使用面向"办公室"的软件包所花的时间要少。也许人们会说Anadigm公司的应用集中于更狭窄的范围，因而更易于支持，但是，笔者认为这一经历居然有新鲜感，而且，从生产力的角度来看，竟然也非常重要。
　　AN220D04评估板布满了跳线、连接器和引脚端子--这说明它具有通用性（图1）。评估板可使用户方便地对大量的信号、配置控制、时钟和功率选项进行选择。它包含一块子电路板连接器，供需要两三块FPAA的设备使用。具有两块芯片的设备仅仅通过子电路板传送其模拟信号，绕过主电路板上的FPAA位置。评估板还有一个扩展连接器，用以级联多块AN220D04电路板。

图1  尺寸为4.5×5.375英寸的AN220D04，内含一个1.9平方英寸的实验电路板区和许多跨接线、连接器和引脚端子，形成一个灵活的开发环境。你只要花几分钟了解线路图，就可以方便地使用这一开发环境。
　　你可以为平衡的信号或不平衡的信号单独设置评估板的模拟输入和输出。差分输入可以通过一对SMA连接器或一组直接连AN220E04引脚的引脚端子接入评估板。两个单端信号可以通过这些SMA或一个常见于声卡、膝上型电脑及许多消费类音频产品的标准1/8英寸TRS插座接入评估板。AN220E04型FPAA的输入采用差分结构，所以评估板具有模拟器件公司生产的两个AD8132型差分放大器，用以转换单端输入信号。输入路径还包括可以使用配线J23和J25连接或断开的50Ω终端负载。请务必把这些跨接线作为初始设置的一部分进行检查。
　　同样，FPAA不是通过引脚端子或SMA连接器就是通过模拟器件公司的两个AD8130差分接收器来提供你可以直接使用的差分输出。两个差分接收器可为SMA连接器或另一个1/8英寸TRS插座提供单端信号。SMA连接器还为级联的电路板提供信号路径。
　　AN220D04的通用性也扩展到了评估板的控制逻辑选项。在其缺省模式下，评估板通过从你的PC到评估板上的DB-9连接器的RS-232串行链路获取配置数据。评估板上的16MHz振荡器提供FPAA的模拟时钟。独立式模式不是使用一个SPI EEPROM，如Atmel公司的AT25080型8kb EEPROM，就是使用一个FPGA EEPROM，如Atmel公司的AT17C65型65kb EEPROM。在这种模式下，评估板上的时钟在导通序列期间驱动配置过程，并且为模拟时钟提供定时基准。如果你的工作是嵌入式设备开发，则你可以通过DIO(数字I/O)带状连接器直接驱动数字信号。虽然当前的软件版本不支持USB，但评估板的具有USB能力的微控制器（一块由Microchip 公司生产的PIC16C745电路），则可连接到一个未使用的连接器位置。如果Anadigm公司决定在未来的软件版本中包含USB支持，那你只需要焊接一个连接器并将它插入即可。
　　虽然大多数人都习惯于在文档仍在收缩包装时就连接新设备，但是，该评估板提供了非常多的选项，以致笔者建议在给产品加电之前仔细研读用户手册并使自己熟悉跨接线的功能、位置和初始状态。Anadigm公司在手册末尾提供评估板的全套原理图，帮助我们确认对评估板体系结构的理解。遗憾的是，那些原理图很小，往往要求助于放大镜或低倍显微镜才能看清。多亏Adobe Acrobat公司的变焦距功能和图像旋转功能，存入CD-ROM中的用户手册PDF版本解决了这个问题。因此，将评估板放在实验台上，把示意图显示在个人膝上型电脑屏幕上，再把手头的硬拷贝手册翻到介绍性叙述章节，就能在几分钟内使自己熟悉评估板的功能和设置了。
　　对审查至关重要的是电源设置和通电行为。你可以用5V稳压电源供电，也可以用9V非稳压电源供电。9V电源端口是一个与通用墙面电源配对的2.1mm插孔。只要其输出电压限制在评估板的最小8V绝对额定值和最大12V绝对额定值之间，就可以使用非稳压电源。9V电源端口为一个5V线性稳压器供电，而该稳压器通过一根跨接线J28驱动评估板的其余部分。你如果打算直接为香蕉型插座或者螺旋型接线端子提供5V稳压电源，就必须拆除这根跨接线。因为螺旋型接线端子和香蕉型插座都不提供机械极化连接，所以这些电源输入要通过一个肖特基二极管连接评估板的其余部分，以防止极性接反引起的损坏。如果你的设备无法适应200mV的二极管压降，可以增加一根跨接线，用以旁路肖特基二极管。
　　三条供电路径--线性稳压器输出端、香蕉型插座和螺旋型接线端子--在肖特基二极管的阴极连接在一起。因此，每次连接不超过一个端口是很重要的。还要注意的是，尽管文档说明5V稳压输入端是缺省配置，但笔者收到的评估板已经接好了跨接线J28。要是只是接上5V电源并按动开关，本可以把电源加到线性稳压器的输出端（而其输入端是接地）的。然而，正如Anadigm公司的一位现场应用工程师所确认的那样，这种情况会损坏5V稳压器，所以务必要根据你电源连接来设置跨接线。
　　当AN220D04不带子电路板工作时，其最大电源电流是350 mA。在接通电源时除外，这时典型的峰值电流为1.2A。正如评估板数据表所表明的，该接通浪涌电流并非起始电流。手册的叙述部分警告说，如果电源电流极限能在满足接通电流要求的同时防止电源输出达到5V，评估板就可在"大电流状态"下加电。在具有一个稳压实验台电源的情况下，在笔者每次接通电源时，评估板都达到了这种"大电流状态"，电源电流监视器上持续的1.1A电流以及检测欠压条件并驱动安装在电路板上的红色LED指示器的比较器说明这种情况。对于这种拙劣启动，推荐的方法是在开启电源之前拔出模拟电源跨接线(J5)而在电源达到稳压之后再将跨接线插回。
　　这种变通办法虽然可以在实验台上解决问题，但却会给你设备带来电源管理问题。不幸的是，当前版本的FPAA数据表是缺乏规格表的初稿，所以你期望都要等到Anadigm公司发布了完整的数据表才能在评估板语境之外对IC启动行为有所了解。同时，你还需要管理你设备内的数字电路供电和模拟电路供电的顺序。此外，尽管软件不断修改，但是在Anadigm公司找出比使用户拔出和插回跨接线更好的解决方法之前，鉴于USB的负载电流极限为500mA，我们对见到USB版本的评估板表示怀疑。
　　现在可行
　　尽管在第一次设置评估板时需要考虑大量的跨接线和连接器，但这种变通办法所花的时间或所做的琐事还是少得多。装载软件，通读评估板手册，定位并设置实验台装置跨接线，连接控制引线、电源引线和信号引线，装载基本配置以及确认信号路径，所有这些工作所花的时间总共还不到1小时。虽然从概念上说，这些工作都无需花费多少脑力，但当一个复杂的产品首次顺利工作时，总是非常令人满足的。
　　开发环境提供你电路的方框图。只要将光标移到任一个功能块上，你就可以确认其身份及参数设置（图2）。双击功能块就可以打开一个对话框，并可在对话框中交互地修改功能块的参数状态。除了为FPAA提供了一个图形化编程环境之外，开发软件允许你连接虚拟信号源和探头来驱动内置的仿真工具（图3）。绘图工具和仿真工具操作起来都很简单，并且对于用过原理图捕获和Spice软件的人来说安排得很直观。但要切记：以一二百美元的最低价格买到的只是一个基本工具，而不可能是附带有的许多响铃、鸣哨和功能等一整套EDA套件。所以，举例来说，Anadigm公司的仿真程序能使你在时域内洞察部件的行为，但是对于几乎所有其它方面来说，需要通过检查在评估板上运行的实际信号来了解部件行为。目前还没有现成的试验线路将仿真或行为模型输出到自己的Spice环境，也不存在本机工具采用外部元件的工具。这种局限性类似于你使用功率IC和ASSP时发现的局限性，因为功率IC和ASSP的制造商只提供有限的支持软件，但不提供与EDA环境其余部分连接的工具。

图2  AnadigmDesigner2的图形化开发环境可为评估板FPAA的配置提供基本的绘图工具，此外还可利用仿真程序以及关于各一个模拟阵列的可编程功能块的支持信息。

图3  正如图2中基本D类调制器的这种仿真所表明的那样，该开发环境的仿真程序可提供虚拟信号源和探头，并可显示FPAA的时域状态。
　　积木式部件
　　FPAA需要模拟电路设计师花一些时间来习惯。FPAA环境不是将二极管、晶体管和无源元件与诸如运算放大器和比较器等功能块组合在一起，而是完全被Anadigm公司称之为CAM（可配置模拟模块）的更加高度抽象的功能块组成。现在考虑一个比较器：你熟知的这种现成部件是一个其拓扑结构和参数状态适合于非线性比较响应而不是线性放大的放大器。但是，你的应用电路必须提供附加元件来设置参考电位和环路行为，其中包括迟滞。

       FPAA的比较器CAM包含这些元件。CAM为倒相输入提供三个可编程选项：你可以使比较器的倒相输入由FPAA内的任何模拟信号来表示，或者，你可以给CAM编程，使倒相输入由地电位来表示，或由一个其幅度被指定为CAM参数的直流电位来表示。对于你要将阈值电压加到比较器非倒相输入端的几种情况来说，你可以将输出倒相来代替输入的反接。可编程迟滞级别有0mV、10 mV、20 mV和40mV四级。迟滞功能在你驱动倒相输入或者将其接地时才可使用，而你给阈值电压时不可使用。
　　与多数FPAA CAM一样，比较器是一个同步的离散时间块。你可以给比较器编程，以便在第一个或第二个时钟阶段对其输入进行采样--这一原理不适用于连续时间比较器。比较器可对以后的时钟相位做出抉择，不过这种抉择不会立即引起比较器输出状态的改变。你可以经输出编程，以便一有输出就按抉择行事，或者强制其输出使其状态转变与第一个时钟相位或第二个时钟相位同步。
　　与分立IC领域极其类似，比较器和放大器是最简单的CAM。CAM列表中还有一些常用的功能，它们具有更高抽象级别，使你更加远离实现细节。例如，双二阶滤波器可在500 Hz~400 kHz范围内调节，这一频率范围又分为三段，对应于你选用的3个时钟频率。正如你对双二阶滤波器期望的那样，你可以选择低通、高通、带通和带阻传递函数滤波器。不过与你自己用几个运算放大器和许多电阻器制成的双二阶滤波器不同的是，双二阶CAM每次只能提供上述四个传递函数之一。调谐和Q值控制都是非交互的，但是，你选用0.15~70 (!)的Q值确实会限制增益范围（图4），这并不令人感到意外。


图4  双二阶滤波器CAM允许你对转角频率、增益和Q值进行编程。带通滤波器曲线对应于8kHz转角频率，而对应的Q值分别为0.2（绿色）、1（青色）、5（蓝色）和20（深红色）。
　　用图形来加深理解
　　一些不太常用的功能可能体现了FPAA的真正能力，例如乘法器或任意周期波形发生器CAM。但是，为了了解作为信号链元件的这种器件性能优劣，我们调查了一些不太特别的CAM，例如倒相放大器、双二阶滤波器功能块和基本I/O单元。这类调查大多采用一台Audio Precision System Two Cascade双域分析仪来绘制频率响应曲线、噪声曲线和THD曲线。
　　该评估板显然可使你最大限度地利用其提供的各种功能。但它并没有对最小化时钟噪声进行优化。虽然用户在开发那些充分利用FPAA可扩展到约8 MHz带宽的设备时需要谨慎一些，但该评估板对于带宽较小的电路而言，应该是一个良好的开发环境，因为来自时钟噪声的实际干扰很小。
　　FPAA数据表中有关差分输入信号摆动的极限值是3.8V。但是，如果你将使你的信号达到或接近摆动阈值，就得小心谨慎。例如，输入单元提供一个可编程转角频率为34~470 kHz的抗混迭滤波器。THD+N测量显示当抗混迭滤波器不用时的1kHz曲线和20kHz曲线是叠合的（图5中的蓝色曲线和绿色曲线）。在1kHz频率下，THD+N恶化对于34kHz输入滤波器很小(深红色)，但是，随着信号分量接近转角频率，失真分量随着小至-20dBV的信号幅度的增大而增大(红色)。固定幅度频谱扫描填入图5的信息（图6）。与不用抗混迭技术的0dBV基准测量值（蓝色）相比，THD+N恶化在输入端增加一个400kHz滤波器时大约为10 dB(红色)。把输入降到-6 dB可将采用400kHz滤波器的THD+N降低到0dBV无滤波情况给出的同样的相对电平(深红色)。注意垂直刻度是相对于输入电平的dB值。在输入保持在-6 dBV和滤波器转角频率调低到34 kHz的情况下，THD+N电平又增加大约5 dB，并显示出随信号接近转角频率而上升的特性。考虑到这些特点，你应该以尽可能达到的最快时钟速率操作CAM单元，以突出奈奎斯特频率并减少对临近滤波器转角频率的需求。同样，你只能在对期望的信号电平和带宽给予了应有的考虑之后才能使用输入滤波器，而且，如果你需要适应低转角频率和大的幅度，则可以考虑使用一个简单的外部滤波器配置。

图5  THD+N曲线表明，就某一给定的THD+N准则而言，输入单元的抗混迭滤波器会限制有用的动态范围，特别是当信号带宽接近滤波器转角频率时。图中，不使用抗混迭滤波器的1kHz (绿色)曲线和20kHz (蓝色)曲线是叠合的。滤波器转角频率设置为34 kHz的1kHz (深红色)曲线和20kHz (红色)曲线显示出性能的下降，特别是当信号接近转角频率时。

图6  固定振幅频谱扫描有助补充图5的信息：图中，蓝色曲线表示不使用抗混迭滤波器的0dBV扫描曲线。红色曲线表示抗混迭滤波器设置为400 kHz的相同输入扫描曲线。只要将输入振幅降低到-6 dBV并且注意曲线的幅度是相对于输入振幅的，深红色曲线就表明，在输入信号超过几百毫伏的情况下，滤波器的THD+N在频谱内有所恶化。将滤波器转角调低到34 kHz时，6dBV扫描曲线表明在通带的最后一个倍程内THD+N有激增的趋势。
　　输出单元也带有与其电压输出模式相关的低通滤波器。输出单元级联两个同样调谐的单极部分，并且用做重建滤波器来消除开关噪声。调到一个相对开放的400 kHz频率的两个双极部分，其在一个简单倒相放大器之后的性能比原始输出单元更好。一个处理-18dBV扫描正弦波的增益为-4的倒相放大器，其在20Hz~40kHz频段内的THD+N曲线是基本平直的。将输出单元用作具有400kHz低通转角频率的电压输出端，会产生-62dBr的THD+N。当输出单元处于其原始配置时，其性能下降到-52 dBr。如果你决定用FPAA来设计，以有助于识别你设备的最佳工作条件，则对输出结构进行进一步的调查就理所应当地被证明是正确的。
　　FPAA的配置内存包括一个影子RAM，它有助于最大限度地缩短配置时间，从而使包含FPAA在内的信号链的干扰最小。配置的更改可能会完全改变模拟阵列的内部资源分配，或者可能只是改变一个参数。利用膝上型电脑的串行端口对该评估板进行操作时，一种无效的配置更变--只是将现有电路和参数设置重新装载到部件中--大约会引起110毫秒的中断（图7）。装入来自嵌入式处理器或共驻PROM的配置数据的设备可以优化配置过程，从而进一步缩短装入时间。
图7  在这一开发环境中利用膝上型电脑来配置FPAA会使信号处理中断大约110毫秒的时间