可编程模拟器件原理与开发

可编程模拟器件(Programmable Analog Device)是近年来崭露头角的一类新型集成电路。它既属于模拟集成电路,又同可编程逻辑器件一样,可由用户通过现场编程和配置来改变其内部连接和元件参数从而获得所需要的电路功能。配合相应的开发工具,其设计和使用均可与可编程逻辑器件同样方便、灵活和快捷。与数字器件相比,它具有简洁、经济、高速度、低功耗等优势;而与普通模拟电路相比,它又具有全集成化、适应性强,便于开发和维护(升级)等显著优点,并可作为模拟ASIC开发的中间媒介和低风险过渡途径。因此,它特别适用于小型化、低成本、中低精度电子系统的设计和实现,未来其应用将会日益广泛。

1 内部结构与基本原理

    通用型可编程模拟器件主要包括现场可编程模拟阵列(FPAA)和在系统可编程模拟电路(ispPAC)两大类。二者的基本结构均与可编程逻辑器件相似,主要包括可编程模拟单元(Configurable Analog Block,CAB)、可编程互连网络(Programmable Interconnection Network)、配置逻辑(接口)、配置数据存储器(Configuration Data Memory)、模拟I/O单元(或输入单元、输出单元)等几大部分,如图1所示。模拟I/O单元等与器件引脚相连,负责对输入、输出信号进行驱动和偏置;配置逻辑通过串行、并行总线或以在系统编程(ISP)方式,接收外部输入的配置数据并存入配置数据存储器;配置数据存储器可以是移位寄存器、SRAM或者非易失的E2PROM、FLASH等,其容量可从数十位至数千位不等;可编程互连网络是多输入、多输出的信号交换网络,受配置数据控制,完成各CAB之间及其与模拟I/O单元之间的电路连接和信号传递;CAB是可编程模拟器件的基本单元,一般由运算放大器或跨导放大器配合外围的可编程电容阵列、电阻阵列、开关阵列等共同构成。各元件取值及相互间连接关系等均受配置数据控制,从而呈现不同的CAB功能组态和元件参数组合,以实现用户所需的电路功能。CAB的性能及其功能组态和参数组合的数目,是决定可编程模拟器件功能强弱和应用范围的主要因素。







    数模混合可编程器件可看作是可编程模拟器件的推广形式。以SIDSA公司(www.sidsa.com/fipsoc)的FIPSOC系列(数模混合现场可编程片上系统)为例,它既包含有模拟的可编程单元和互连网络,又包含有由逻辑宏单元和开关矩阵组成的FPGA,还包含有A/D、D/A转换器和用于配置与控制的嵌入式微处理器等,可用于片上系统(SOC)的开发与实现。但其模拟部分的规模较小,主要面向数据采集、实时监控等特定应用。

2 基本开发流程

    可编程模拟器件开发的主要步骤依次为1)电路表达,即根据设计任务,结合所选用的可编程模拟器件的资源、结构特点,初步确定设计方案;(2)分解与综合,即对各功能模块进行细化,并利用开发工具输入或调用宏函数自动生成电原理图;(3)布局布线,即确定各电路要素与器件资源之间的对应关系以及器件内部的信号连接等。可自动或手动完成;(4)设计验证,即对设计进行仿真(根据器件模型和输入信号等,计算并显示电路响应),以初步确定当前设计是否满足功能和指标要求。如果不满足,应返回上一步骤进行修改;(5)由开发工具自动生成当前设计的编程数据和文件;(6)器件编程,即将编程数据写入器件内部的配置数据存储器。一般通过在线配置方式完成,也可利用通用编程器脱机编程;(7)电路实测,即利用仪器对配置后的器件及电路进行实际测试,详细验证其各项功能和指标。如果发现问题,还需返回前面有关步骤加以修改和完善。可编辑模拟器件设计的基本流程图如图2所示。







    该流程主要在微机上利用开发工具完成,基本可做到“所见即所得”。以往由于元件超差、接触不良等实际因素造成的延误和返工可基本消除,对设计者的要求也大大降低。

3 主流器件与核心技术

    FAS公司(http://www.zetex.com)的TRAC系列现有TRAC020、TRAC020LH (微功耗版本)、ZXF36Lxx(模拟门阵列)等器件,采用电压运算技术——以随时间连续变化的模拟电压为信号参量。其CAB由运放配合电阻、电容、多路模拟开关等组成,可编程互连网络也主要利用模拟开关实现。利用配置数据控制多路模拟开关即可改变CAB的内部连接(即功能组态);改变一组按特定规律取值的同类元件(电阻或电容)之间的连接关系,获得所需的等效元件取值;改变各CAB间的信号传递关系等。

    该系列具有接近常规器件的优良特性(如闭环带宽可达12MHz),面向模拟计算的器件结构和便于向ASIC移植的产品线。其CAB具有加(ADD)、取负(NEG)、对数(LOG)、反对数(ANT)、积分(AUX-def)、微分(AUX-int)等运算型功能组态,设计者可根据设计目标的数学描述或信号流图,利用开发工具以绘制框图方式完成电路设计而无须考虑其内部细节。缺点是可编程能力较弱,器件内部连接基本固定(参见图3),仅能利用NIP(直通)和OFF(断开)功能组态或外部连接线(Link)等加以改变;器件内电阻等元件均取值固定,须外接RC元件来改变有关的电路参数。设计过程的自动化程度和电路的整体集成度也因而降低。







    Lattice公司的ispPAC系列等采用跨导运算技术,以模拟电流作为主要信号参量,以跨导运算放大器(OTA)取代电压运算放大器,以基于OTA的有源元件取代部分无源元件。该类器件利用D/A转换器按照配置数据改变OTA的偏置电流,从而改变其互导增益gm和电压放大器增益Au,实现对CAB的配置和参数调整。由于在IC中易于改变且调整范围较大,控制精确较高,因此该类器件的参数变化范围和分辨率均可显著提高。此外,该类器件还具有电流模电路共有的高速、低电压、低功耗、宽动态范围、高稳定性等优点。

    ispPAC系列包括PAC10、PAC20、PAC30等通用型器件和PAC80、PAC82等ISP滤波器。以PAC10为例(参见图4),其可编程模拟单元(PAC Block)以两个增益可配置(±1～±10)的跨导型仪表放大器作为输入级,以运放、有源反馈元件(跨导放大器)和电容阵列(7个电容可组合出128种等效电容)等构成输出级,可实现放大、迭加、积分和滤波等功能且精度较高;其模拟布线池可灵活地配置器件内部及其与引脚之间的连接关系;自校准单元可自动测量输出失调并利用专用DAC加以补偿;ISP接口支持在系统编程和数据保密。因此,ispPAC的电路性能与可编程能力俱佳。PAC20等还配有DAC和迟滞比较器,仅需单片便可构成简单的监控系统。







    Anadigm公司(www.anadigm.com)的AN10E40器件则采用开关电容技术(同MOTOROLA原产的MPAA020),通过改变电容比或开关电容的时钟频率来配置电路参数。其内部为典型的阵列式结构(参见图1),由CAB、模拟I/O单元和分布其间的布线资源及可编程时钟资源等组成,信号带宽约为250kHz。其CAB由运放、电子开关和开关电容等组成(参见图5),对信号来源、去向和各电容容量(均有256种选择)等均可灵活配置。可编程时钟资源则为各开关电容提供所需的时钟频率(共32种分频比)和相位(每种频率4种)。这样,单个CAB即可实现整流器、放大器、可编程比较器和一阶滤波器等信号调理功能;将多个CAB加以组合、连接,便可实现高阶滤波器、脉宽调制器等更为复杂的电路。由于现有IC工艺可制造的电阻和电容范围有限且误差较大,而电容比的制造精度较高(<0.1%),因此该类器件的电路精度较高,可编程能力较强而制造成本较低,但信号带宽较小,内部噪声较大。







    此外,一旦低成本的可编程电流镜或模拟乘法器研制成功,具备兼容数字IC工艺等多种优势的开关电流技术便可应用于可编程模拟器件,极大地降低其成本并提升其性能。

　　目前,可编程模拟器件已在数据采集、信号处理、仪器仪表、控制与监测、人工神经网络、电路实验等重要领域得到应用,其典型应用包括信号调理、模拟计算、中高频应用、人工神经网络、电路进化设计(EHW)等。尽管可编程模拟器件问世不久,有关的技术与产品仍显稚嫩,但其内在的便利性和经济性以及作为其数字域对应物的可编程逻辑器件的成功经历,都使我们有理由相信:在不远的将来,可编程模拟器件的技术必将日益成熟,器件品种必将日益丰富,最终将成为模拟电路设计和应用中的首选器件。