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?？删幊棠M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(chǎng)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(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、高速度、低功耗等優(yōu)勢(shì)；而與普通模擬電路相

2、比，它又具有全集成化、適用性強(qiáng)，便于開發(fā)和維護(hù)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，它非凡適用于小型化、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(chǎng)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(luò)、配置邏輯、配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)責(zé)對(duì)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IO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

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(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(luò)，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(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。器增益Au，實(shí)現(xiàn)對(duì)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

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(gè)增益可配置的跨導(dǎo)型儀表放大器作為輸入級(jí)，以運(yùn)放、有源反饋元件和電容陣列等構(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(cè)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

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(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IO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(duì)信號(hào)來原、去向和各電容容量等均可靈活配置。可編程時(shí)鐘資源則為各開關(guān)電容提供所需的時(shí)鐘頻率和相位。這樣，單個(gè)CAB即可實(shí)現(xiàn)整流器、放大器、可編

8、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，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。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(shì)的開關(guān)電流技術(shù)便可應(yīng)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