在系统可编程模拟器件(ispPAC)及其应用

在系统可编程模拟器件(ispPAC)及其应用
余三同
【摘要】在系统可编程模拟器件(ispPAC)的出现,改变了传统的模拟电路的设计思想,他具有在系统可编程的特点,无需外围元器件可以灵活地实现信号放大、滤波、D/A转换等,利用他设计电路方便、快捷.介绍在系统可编程模拟器件(ispPAC)的结构、功能与特点,利用可编程模拟器件ispPAC10,ispPAC20,借助于PACDesigner 软件,分别设计并实现了滤波器、数控振荡器等电路,并给出仿真结果.实践证明isp 技术有广阔的应用前景.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2007(030)022
【总页数】3页(P140-142)
【关键词】可编程模拟电路;PAC-Designer软件;滤波器;压控振荡器
【作者】余三同
【作者单位】江苏大亚集团,江苏,丹阳,212300
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
模拟电路的设计和调试对一个人的理论基础、经验、耐心要求很高，尤其是采用传统的分立元件搭建模拟电路，电路的精度、稳定度很难实现，而且功耗也比较大。

集成模拟可编程电路的出现将对相应电路的开发起到积极的促进作用，尤其是对初
学者或者经验不足的工程师有较大的帮助。

本文介绍了美国Lattice公司新推出的在系统可编程模拟电路(In System Programmability Programmable Analog Circuits,ispPAC)及其应用。

在系统可编程模拟器件ispPAC具有在系统可编程技术的优势和特点。

该技术可以弥补传统模拟电路实践采用分立元件搭接各种电路的不足，将极大改善模拟电路实践的成效和创新.他允许设计者使用开发软件在计算机中设计，并进行电路特性功能仿真，检查是否有错误,以及所设计的功能是否与题目要求的功能一致，如发现问题应对设计进行检查,找出错误并加以修改，而且能够通过编程电缆最终将设计方案下载至芯片中，实现一个芯片完成一个系统的功能，满足高集成度的要求。

到目前为止,Lattice 半导体公司已推出的在系统可编程模拟器
有:ispPAC10,ispPAC20,isp2PAC30和ispPAC80/81。

ispPAC的开发工具是基于Windows的PAC-Designer 软件,该软件采用原理图输入方式,直观方便,并可仿真幅频、相频特性。

把高集成度的精确设计集于一片ispPAC上,取代了很多标准的分立元器件或传统的ASIC 所实现的电路功能。

本文首先介绍ispPAC的特点及功能，然后以实现二阶滤波器和压控振荡电路为例，介绍了他们的设计过程，给出了其仿真结果。

用ispPAC技术实现电路,和传统的实现方法比较,优势是他可在软件对话框窗口中直接更改参数,设计调试方便。

实现的滤波器精度高,滤波器的频率可在10～100 kHz的范围内有近120种不同的选择。

压控振荡电路由输入电压控制，通过对ISPPAC器件的编程，使得相应的端口输出三角波和方波，波形的频率和占空比可以任意调节。

1 ispPAC介绍
ispPAC系列采用跨导运算技术，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
器件利用数/模转换器(DAC)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文件的配置和参数调整。

由于在集
成电路(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技术最突出的优点是具备对系统功能的修改但不需要改变组件或印刷电路板布局的能力。

很多时候设计者必须存储大量的分立的电路元件(例如电阻、电容)，以应付因为变换数值而不断增加的样机设计变化。

而使用ispPAC很少需要再不断插拔外部元件，而所有样机设计完成之前的设计、仿真实验和开发步骤，都能在PAC-Designer环境下实现。

ispPAC还有其他优点，如可进行内部调试，即设计者可以利用已经调好的ispPAC器件来调试系统板上的其他部分；能进行电路板重组态和现场升级，即可利用PC机和I/O口、用户目标板上自备的单片机或微处理器、串行链，甚至联网或通过调制解调器等，对系统实现现场升级。

ispPAC器件可实现3种功能：信号调理，是指能够对信号进行放大，衰减，滤波；信号处理，是指信号进行求和，求差，积分运算；信号转换，是指能把数字信号转换成模拟信号。

ispPAC提供3种可编程性能：可编程功能，即具有对模拟信号进行放大，转换，滤波的功能；可编程互联，即能把器件中的多个功能块进行互联，能对电路进行重构，具有百分之百的电路布通率；可编程特性，即能调整电路的增益，带宽和阀值，可以对电路板上的ispPAC器件反复编程。

ispPAC系列包括ispPAC10,ispPAC20,ispPAC30等通用型器件和
ispPAC80,ispPAC82等ISP滤波器。

每个ispPAC10的可编程模拟单元(PAC Block)以2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的DAC加以补偿；ispPAC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。

ispPAC20等配有DAC和迟滞比较器，仅需单片便可构成简单的监控系统。

2 电路举例
在PAC-Disginer软件中设计电路，PAC Designer软件可以实时地更改ispPAC 的任何一种芯片内部结构，可以配置和查询任何一种ispPAC芯片，并能将设计方案下载到芯片中永久的保存下来，每一种ispPAC芯片的设计都很简单，只需要改变原理图上的参数及连线就可以了。

比如ispPAC10芯片，其可编程环节包括可编程连线以及3个可调整的地方：增益k、反馈电容CF是否加反馈电阻。

2.1 用一片ispPAC10实现的二阶带通滤波器
2.1.1 二阶带通滤波器电路
例如用ispPAC10设计一个二阶带通滤波器根据传递函数可看出,该系统可以由1个二输入惯性环节和1个单输入积分环节组合而成。

由于1个ispPAC10含有4个PACBlock。

若对PACBlock按将RF断开编程，则即含有惯性环节；若对PACBlock按将RF接通编程，则即含有积分环节，其中gm为跨导，大小为2 μA/V。

上式中的可以等效为时间常数T,T=RC，这里C为反馈电容CF，R为1/2 gm=250 kΩ。

不同的电路结构可以串联、并联、反馈，从而形成各种复杂的电路结构。

因此，该二阶带通滤波器只选用一片ispPAC10就可完成,使用其中的2个PACBlock,一个实现二输入惯性环节,另一个实现单输入积分环节。

在PAC-Designer环境下用2个PACblock搭建含二输入惯性环节和单输入积分环节的电路，如图1所示。

图1 二阶滤波器电路图
取K1=A,K2×K3=B×K1,CF1=T1/250 kΩ,CF2=T2/250 kΩ,则实现了二阶滤波器
的功能。

2.1.2 仿真结果
设计好以后即可进行仿真。

PAC Designer的仿真器提供了增益和相位的仿真功能，他可以给出当前设计的图形在各种参数配置下的增益和相位图。

可以通过对菜单View的操作，实现图形的放大和平移，通过打开Cross Hair功能，可以读出鼠标所在点的频率、相位和相位值，实现精密的测量。

图1所示的滤波器中，若PACblock1的K1取-3，K2取1，CF取25.49
pF,PACblock2的K1取-1，K2取1，CF取5.92 pF,则滤波器的幅频特性和相频
特性仿真曲线如图2所示。

仿真结果表明，用ispPAC10芯片设计的电路实现了带通滤波器的功能。

在软件
对话框窗口中直接更改参数,滤波器的频率可在10～100 kHz的范围内有近120
种不同的选择。

2.2 用一片ispPAC20 实现的压控振荡器
2.2.1 压控振荡器电路
电压控制振荡器电路如图3,在图3中ispPAC20 的第二个PAC块OA2的反馈电
阻断开,构成积分电路。

2个比较器接成窗口比较器,CP2 的同相输入端前有一个反
向器,阈值电压由数模转换器DAC 提供。

第二个PAC块的输出信号OUT2也接至
2个比较器。

窗口比较器将OUT2 信号与阈值电压比较。

CP1 的附加电路设置成
直接输出方式,另一附加电路设置成RS 触发器方式,触发器的输出Window管脚输出逻辑信号。

CP1 信号的上升沿使RS 触发器置位,CP2 信号的上升沿使RS 触发
器复位。

IA4极性控制电路设置为Flip-Flop 方式,这样在器件内部Window信号
接至PC,当Window信号为低电平时,IA4 极性控制电路改变输入信号的极性,即信号反相后送给IA4 ;当Window信号为高电平时,信号不改变极性直接输入IA4。

比
较器的迟滞特性设置为无效(Hyston)。

压控振荡器的输入接极性控制电路的输入,
压控振荡器的输出为Window，输出方波的频率与该输入电压成正比。

该压控振
荡器的工作原理为:当Window的输入为低电平时,IA4 前的极性控制电路改变压控振荡器的输入电压信号的极性，相当于输入电压为-115 V,积分器正向积分,OA2
的输出近似线性增大,当OUT2等于窗口比较器的高端阈值电压(DAC 提供)
时,CP1OUT由低电平变成高电平,该上升沿使RS 触发器置位,Window输出高电平。

这时极性控制电路不改变压控振荡器的输入电压信号,相当于输入电压为+115 V,积分器反向积分,OA2的输出近似线性下降,当OUT2等于窗口比较器的低端阈值电
压时,CP2OUT由低电平变成高电平,该上升沿使RS 触发器复位,Window 输出低
电平,如此周而复始,Window 输出端的状态不断翻转形成方波输出。

图3中压控振荡器的控制电压用器件内部的115 V固定电压,数模转换器DAC设置为83 H,其输出电压即阈值电压为0.070 3 V。

通过调整输入控制电压的频率和波幅，在OUT2端口输出三角波，Window端口输出方波。

并且当改变控制电压信号频率或幅值时，输出波形的频率或占空比会发生变化。

图2 滤波器仿真结果
2.2.2 仿真结果
若将电压控制信号设置为381 Hz,1.95 V的信号时，在OUT2输出的三角波并将
电压控制信号设置为789 Hz，2.05 V时，在Window端口输出的方波如图4所示。

图3 压控振荡器电路
图4 压控振荡器显示结果
结果表明，该压控振荡器的实现无需使用传统的运算放大器,也不需外接电阻、电
容等元器件即可完成。

3 结语
在系统可编程模拟器件的出现将对电子系统的设计、实现方法产生重要的影响。

运用这种器件和相应的开发软件能缩短电子产品的开发周期,提高电子系统的可靠性,减小制造成本。

实验表明该方法简单、快捷,修改方便,为模拟电子电路的设计和实现提供了一种全新的方法。

参考文献
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