（测试计量技术及仪器专业论文）可重构模拟电路设计与应用研究.pdf

一 - i a n da s t r o n a u t i c s o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e c o n n g u r a b l ea n a l o g c i r c u i td e s i g na n d a p p l i c a t i o nr e s e a r c h a t h e s i si n i n s t r u m e n t a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y z h um i n g t a o a d v i s e db y p r o f e s s o rw a n gy o u r e n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g f e b r u a r y , 2 0 1 0 l 承诺书 1113 11i ii ii ii l l1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l y 18115 9 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：主煎缱 日 期：銎! ：三，2 仝 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 可重构模拟电路的最大特点在于其可编程性，即可以通过接收外部输入的配置数据相应地改 变电路系统的内部连接和元件参数，实现所需的电路功能。可重构模拟电路系统具有灵活、简捷、 易于升级等优良性能，在航空航天、工业自动化、智能传感器、机器人控制等领域有广阔的应用 前景。 本文详细阐述了可重构模拟电路的基本原理，研究了两种基于不同实现技术、拥有不同设计 结构的可重构模拟阵列电路。论文的主要工作有： ( 1 ) 设计了一种基于c m o s 跨导运算放大器的可重构模拟阵列结构。详细阐述了可重构模 拟单元、可编程电流镜阵列、可编程电容阵列和可编程互连网络的电路结构，并给出了各部分的 参数设计方案。为了评估和验证设计电路的正确性，在5 x 1 0 的阵列结构上重构实现了可编程电压 放大器、可编程滤波器以及d a 转换器等应用实例并通过p s p i c e 软件进行了仿真验证。此外，研 制了2 x l 的小规模实验阵列电路，分析了所设计电路在实际应用方面的可行性和效果。 ( 2 ) 设计了一种基于开关电流技术的可重构模拟阵列结构。结合开关电流技术的特点，设 计了可重构模拟单元和可编程互连网络，并给出了各部分的参数设计方案。在4 x 2 的阵列结构上 重构实现了反相阻尼放大器、双线性z 变换积分器以及三阶巴特沃斯低通滤波器三个应用实例并 通过p s p i c e 和m a t l a b 软件分别进行了仿真验证，对比分析了两种仿真实验的结果，对比结论 表明所设计的电路是正确有效的。 本文的研究工作受国家自然科学基金( 6 0 8 7 1 0 0 9 ) 与航空科学基金( 2 0 0 9 z d 5 2 0 4 5 ) 的资助。 关键词：可重构模拟电路，可编程互连网络，c m o so t a ，开关电流( s i ) ，电流模式，可编程 滤波器 可重构模拟电路设计与应用研究 a b s t r a c t t h em o s tp r o m i n e n tf e a t u r eo fr e c o n f i g u r a b l ea n a l o gc i r c u i t si si t sp r o g r a m m a b i l i t y , w h i c hc a n m a k et h ec i r c u i t sb ec o n f i g u r e da c c o r d i n gt oe x t e r n a li n p u tc o n f i g u r a t i o nd a t ar e c e i v e dt oc h a n g et h e l a y o u to ft h es y s t e m si n t e r n a lc o n n e c t i o n sa n dc o m p o n e n tp a r a m e t e r st oa c h i e v et h ed e s i r e dc i r c u i t f u n c t i o n s r e c o n f i g u r a b l ea n a l o gc i r c u i ts y s t e mh a ss e v e r a le x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ss u c ha sf l e x i b i l i t y , s i m p l i c i t y , e a s yt ou p g r a d ea n ds oo ns ot h a ti t h a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm a n yf i e l d so f a e r o s p a c e ，i n d u s t r i a ls e l f - a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n ts e n s o r s ，r o b o tc o n t r o le t e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fr e c o n f i g u m b l ea n a l o gc i r c u i t s r e s e a r c h e so ft w o r e c o n f i g u r a b l ea n a l o ga r r a yc i r c u i t sb a s e do nd i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hh a v e d i f f e r e n td e s i g ns t r u c t u r e s ，a l em a d e t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) ac m o so t a - b a s e dr e c o n f i g u m b l ea n a l o ga r m ys t r u c t u r ew a sp r o p o s e d t h ec i r c u i ts t r u c t u r e a n dp a r a m e t e r so fo t a - b a s e dr e c o n f i g u m b l ea n a l o gb l o c k , p r o g r a m m a b l ec u r r e n tm i n o ra r r a y , p r o g r a n m m b l ec a p a c i t o ra r r a ya n dp r o g r m m n a b l ei n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r ka r ep r e s e n t e d , a n dt h e d e s i g nd e t a i l so fp a r a m e t e r si ne a c hp a r ta r eg i v e n i no r d e rt oa s s e s sa n dv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e c i r c u i t s d e s i g n e d ，s e v e r a la n a l o ga p p l i c a t i o ne x a m p l e sl i k ep r o g r a m m a b l ev o l t a g ea m p l i f i e r , p r o g r a m m a b l ea n a l o gf i l t e r , d ac o n v e r t e re t c a r er e c o n f i g u r e di na5 x1 0a r r a ya n ds i m u l a t e dt h r o u g h p s p i c e i na d d i t i o n ，s m a l l - s c a l et e s tc i r c u i to fa2 xl a r r a yi sf a b r i c a t e d , a n dt h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so fd e s i g n e dc i r c u i ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 2 ) as w i t c h e d - c u r r e n tb a s e dr e c o n f i g u r a b l ea n a l o ga r r a ys t r u c t u r ew a sp r o p o s e d t h e r e c o n f i g u m b l ea n a l o gb l o c ka n dp r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r kw a sp r e s e n t e dc o m b i n e dw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i co fs w i t c h e d - c u r r e n tt e c h n o l o g y , a n dt h ed e s i g nd e t a i l so fp a r a m e t e r si ne a c hp a r ta r e g i v e n t h r e ea p p l i c a t i o ne x a m p l e so fai n v e r t e dd a m p e da m p l i f i e r , ab i l i n e a ri n t e g r a t o ra n da t h i r d - o r d e rb u t t c r w o r t hl o w - p a s sf i l t e ra r er e a l i z e di na4 x 2a r r a yb yr e c o n f i g u r a t i o n t h r o u g hp s p i c e a n dm a t l a bs o f t w a r e ，t h ed e s i g nc i r c u i t sa r es i m u l a t e ds e p a r a t e l y c o m p a r i n gt h ec o n c l u s i o n so ft w o d i f f e r e n tw a y so fs i m u l a t i o n ，c o r r e c t i v n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g n e dc i r c u i t sa r ev e r i f i e d t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sf u n d e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 6 0 8 7 1 0 0 9 ) a n da e r o n a u t i c a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 2 0 0 9 z d 5 2 0 4 5 ) k e y w o r d s ：r e c o n f i g u r a b l ea n a l o gc i r c u i t s ，p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c tn e t w o r k ，c m o so t a ， s w i t c h e d - c u r r e n t ( s i ) ，c u r r e n tm o d e ，p r o g r a m m a b l ef i l t e r 1 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 可重构模拟电路的研究背景及意义1 1 2 可重构模拟电路的技术现状及发展趋势2 1 3 可重构模拟电路的技术基础4 1 4 可重构模拟电路的技术难点1 0 1 5 本文的研究内容和结构。1 0 第二章基于o t a 的可重构模拟电路研究1 2 2 1 差分式线性可调c m o so t a 。1 2 2 1 1 基本差分式c m o so t a 1 2 2 1 2 差分式线性可调c m o so t a 1 3 2 2 基于差分式线性可调c m o so t a 的可重构模拟单元1 6 2 2 1 可编程电流镜阵列1 6 2 2 2 可编程电容阵列1 8 2 2 3c a b 设计1 9 2 3 蜂窝式可编程互连网络2 1 2 3 1 互连网络设计2 1 2 3 。2 互连网络特性分析2 3 2 4 应用实例及仿真结果分析。2 4 2 4 1 可编程电压放大器2 5 2 4 2 可编程巴特沃斯电流型滤波器2 7 2 4 3 可编程幅度调制电路3 9 2 4 4 四位d a 转换电路4 3 2 5 可重构模拟电路实验研究4 6 2 6 本章小结51 第三章基于开关电流技术的可重构模拟电路研究5 2 3 1 开关电流技术基础。5 2 3 1 1 开关电容技术5 2 3 1 2 开关电流基本原理5 3 3 1 3 开关电流基本功能模块5 5 b、 可重构模拟电路设计与应用研究 3 2 基于开关电流技术的可重构模拟单元5 8 3 3c r o s s b a r 式可编程互连网络6 0 3 4 应用实例及仿真结果分析6 1 3 4 1 反相阻尼放大器6 1 3 4 2 双线性z 变换积分器6 4 3 4 3 开关电流三阶巴特沃斯低通滤波器6 6 3 5 两种可重构模拟电路对比7 1 3 5 本章小结7 1 第四章总结与展望一7 2 4 1 本文总结7 2 4 2 课题展望7 2 参考文献7 4 j l 谢7 9 在学期间发表的学术论文8 0 ， 图表清单 图1 1 可重构模拟电路的的四种可实现技术4 图1 2 可重构模拟电路组成示意图7 图1 3 几种典型的c a b 结构9 图1 4 第一代f p t a 的c a b 细胞电路结构9 图1 5 局部互连网络。1 0 图1 6 全局互连网络1 0 图2 1 基本差分式c m o so t a 电路原理：1 3 图2 2 差分式线性可调c m o so t a 电路原理1 4 图2 3o t a 的跨导线性可调范围1 6 图2 4o t a 传输特性曲线1 6 图2 5o t a 跨导值随频率变化曲线1 6 图2 6 可编程电流镜阵列电路原理1 7 图2 7p c m a 五组典型输出值1 8 图2 8 可编程电容阵列电路原理1 9 图2 9 基于差分式c m o so t a 的c a b 结构2 0 图2 1 05 x1 0 规模的可重构模拟阵列网络结构2 2 图2 1 1 同一端口的不同输入输出特性对比一2 2 图2 1 2 可编程电压放大器电路原理2 5 图2 1 3 电压放大器在可重构阵列上的拓扑结构一2 6 图2 1 4 全极点函数信号流图。2 8 图2 1 5 基于o t a - c 八阶巴特沃斯低通滤波器电路原理2 8 图2 1 6 八阶低通滤波器在可重构阵列上的拓扑结构。3 0 图2 1 7 八阶巴特沃斯低通滤波器3 d b 截止频率不同调谐值下的幅频响应3 2 图2 1 8 四阶全极点低通滤波器原型3 2 图2 1 9 四阶全极点低通滤波器导出的信号流图3 3 图2 2 0 八阶对称带通滤波器电路原理。3 4 图2 21 二阶带通滤波器3 4 图2 2 2 基于o t a c 八阶巴特沃斯带通滤波器电路原理3 5 图2 2 3 八阶带通滤波器在可重构阵列上的拓扑结构3 7 v 可重构模拟电路设计与应用研究 图2 2 4 八阶巴特沃斯带通滤波器不同正调谐值下的幅频响应 图2 2 5 电压幅度调制电路原理 图2 2 6 调幅电路在可重构阵列上的拓扑结构 图2 2 7 不同调制系数下的标准调幅波 图2 2 8 不同调幅系数下抑制载波的双边带调幅波。4 3 图2 2 9 四位d a 转换器电路原理4 3 图2 3 0 四位d a 转换器在可重构阵列上的拓扑结构。4 4 图2 3 l 四位d a 转换器输出响应曲线4 5 图2 3 22 xl 可重构模拟阵列的电路原理。4 7 图2 3 3 配置存储单元控制可编程模拟开关4 7 图2 3 4c a 3 0 8 0 芯片4 7 图2 3 5m a x 4 6 5 2 的内部结构4 8 图2 3 62 xl 可重构模拟阵列实验电路4 8 图2 3 7 重构控制电路4 9 图2 3 8 采集卡参数设置界面。5 0 图2 3 9 重构所得放大器的实际输出电压波形5 0 图3 1 开关电容通用积分器5 3 图3 2s i 基本存储单元5 4 图3 3s i 基本延迟单元5 5 图3 4s i 通用积分模块。5 6 图3 5s i 通用微分模块5 7 图3 6 基于开关电流技术的可重构模拟单元5 9 图3 7 可编程互联网络6 1 图3 8 反相阻尼放大器电路原理6 2 图3 9 反相阻尼放大器在可重构阵列上的拓扑结构6 3 图3 1 0 反相阻尼放大器的s i m u l i n k 模块连接6 3 图3 1 1 反相阻尼放大器仿真输出曲线“ 图3 1 2 双线性z 变换积分器电路原理6 4 图3 1 3 双线性z 变换积分器器在可重构阵列上的拓扑结构6 5 图3 1 4 双线性z 变换积分器的s i m u l i n k 模块连接6 6 图3 1 5 双线性z 变换积分器仿真输出曲线。6 6 图3 1 6 开关电流三阶滤波器的信号流图6 7 图3 1 7 开关电流三阶巴特沃斯低通滤波器电路原理6 9 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 8 三阶巴特沃斯低通滤波器在可重构阵列上的拓扑结构一6 9 图3 1 9 开关电流三阶巴特沃斯低通滤波器幅频响应曲线。7 1 表1 1 国外主要研究院校研究成果一览表3 表1 2 连续时间处理与离散时间处理的特点分析5 表1 3 电压模式与电流模式的特点分析5 表1 4 不同粒度可重构模拟器件的优缺点。8 表2 1m o s 管沟道宽长比( 弘m ) 。1 3 表2 2 差分式线性可调c m o so t a 电路的仿真结果。1 5 表2 3 四组典型输入电压下g 。可调曲线的最大偏差1 5 表2 4 可编程电流镜阵列的主要参数1 7 表2 5 可编程电容阵列的主要参数18 表2 6c a b 中可编程开关的作用。1 9 表2 7c a b 电路主要组成部件及其主要用途2 0 表2 8 不同控制字下c a b 可实现的电路功能。2 l 表2 9 三种不同设计方案中可编程开关总数对比2 4 表2 1 0 重构实现相同电路时三种不同方案的开关开销对比2 4 表2 1 1 三种不同设计方案所能实现功能对比2 4 表2 1 2 重构实现可编程电压放大器时p c m a 参数配置2 6 表2 1 3 放大器量程( 厶口：) ，o 且a 的理论调谐值与仿真调谐值的对比2 7 表2 1 4 四个理论可调量程的调节参数2 9 表2 1 5 八阶巴特沃斯低通滤波器两个量程的可调参数。3 0 表2 1 6 重构实现巴特沃斯低通滤波器时p c a 的参数设计表一3 l 表2 1 7 巴特沃斯低通滤波器不同调谐频率下的o t a 跨导参数设计表3 1 表2 1 8 巴特沃斯低通滤波器幅频响应仿真结果与理论计算值之间的对比3 l 表2 1 9e = 1 0 0 p f 和1 2 6 p f 时低通滤波器的可调参数3 6 表2 2 0 重构实现巴特沃斯带通滤波器时p c a 的参数设计表3 7 表2 2 1 巴特沃斯带通滤波器不同调谐频率下的o t a 跨导参数设计表3 8 表2 2 2 巴特沃斯带通滤波器幅频响应仿真结果与理论计算值之间的对比3 8 表2 2 3 调幅电路参数设置与计算一4 1 表2 2 4 标准调幅仿真输出结果4 2 表2 2 5 抑制载波的双边带调幅仿真输出结果一4 3 表2 2 6 重构实现四位d a 转换器时各o t a 跨导参数设计表4 5 表2 2 7d a 转换器实验数据分析4 5 可重构模拟电路设计与应用研究 表2 2 8 放大器实际增益与理论增益对比 表3 1c a b 中各m o s 开关的主要作用 表3 2c a b 中m o s 管沟道宽长t t ( p z n ) 。 表3 3 不同开关状态的标识符 表3 4 单个c a b 所能实现功能及对应开关配置状态6 0 表3 5 重构实现反相阻尼放大器时所需c a b 内部开关状态一6 2 表3 6 重构实现双线性z 变换积分器时所需c a b 内部开关状态6 5 表3 7 重构实现三阶巴特沃斯低通滤波器时所需c a b 内部开关状态6 9 表3 8p s p i c e 仿真所取采样频点以及对应的输出幅值7 0 表3 9 三阶巴特沃斯低通滤波器四个特性参数仿真值与理论值的对比7 0 表3 1 0o t a 型与开关电流型可重构模拟电路技术对比7 1 - 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 序号略写英文全称中文名称 1c a b c o n f i g u r a b l ea n a l o g u eb l o c k 可重构模拟单元 2s is w i t c h - c u r r e n t 开关电流 3e d ae l e c 缸 o n i cd e s i g na u t o m a t i c 电子设计自动化 4同黻 h e l dp r o g r a m m a b l ea n a l o g u ea r r a y 现场可编程模拟阵列 5f p t af i e l dp r o g r a m m a b l et r a n s i s t o ra r r a y 现场可编程晶体管阵列 6f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 7啪 p r o g r a m m a b l ea n a l o g u ed e v i c e 可编程模拟器件 8p c m a p r o g r a m m a b l ec u r r e n tm i r r o ra r r a y 可编程电流镜阵列 9 p c a p r o g r a m m a b l ec a p a c i t a n c ea r r a y 可编程电容阵列 p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t i o n 1 0p n 可编程互连网络 n e t w o r k 1 l p r a p r o g r a m m a b l er e s i s t o ra r r a y 可编程电阻阵列 1 2p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 可编程逻辑器件 1 3 o p a m p o p e r a t i o n a la m p l i f i e r 电压运算放大器 c m o s c m o s - o p e r a t i o n a l 1 4 c m o s 跨导运算放大器 0 1 = a t r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r i n s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y 1 5 i s p p a c 在系统可编程模拟电路 p r o g r a m m a b l ea n a l o gc i r c u i t 1 6v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s 超大规模集成电路 今c m o sv l s i 集成在一块小小 往许多模拟电路 模拟电路正在慢 慢的被数字电路完全的取代，最终消亡。但现实情况并非如此，各个领域对于模拟电路的需求不 但没有减少，在某些领域反而越来越显重要，有着数字电路无法取代的地位。 模拟电路之所以有其不可替代的地位究其本源主要是因为我们所生活的世界是一个模拟的 世界。各种物理量，如声音、光照度、温度、位置、速度、压力等等都是模拟信号。因此模拟电 路在信号处理领域扮演着极其重要的角色，它是连接模拟和数字世界的桥梁。在现实世界里，不 论是在数字领域还是模拟领域，信号在驱动一个模拟输出前，都需要经过转换和处理。因此模拟 电路模块在数字信号处理和调节，i c s 电源管理，工业控制，a d ，d a 转换等等方面有着十分 广泛的应用。实际上，模拟电路作为数模信号接口电路，几乎存在于每一片数字i c 上。 众所周知，数字i c 的一个最大优势就在于其开发流程简单。许多用于数字i c 设计的c a d ( c o m p u t e ra s s i s t a n td e s i g n ) 工具已经被开发出来。例如，一个标准数字a s i c 1 】( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计流程包括硬件行为描述( v h d l v e a i l o g ) ，设计综合与电路优化， 布局与布线以及最后的芯片制作。出于对上市时间和生产成本的考虑，以上的标准设计流程可以 通过f p g a ( f i l e dp r o g r a m m b l eg a t ea r r a y ) 来实现。通过在f p g a s 芯片上编程开发和验证，许 多特定功能的( 数字) a s i c s 可以很快的被设计出来。由于整个设计过程人力成本低，设计周期 短，设计过程简单以及后期测试方便等优势，使得f p g a s 已经成为数字a s i c 设计领域中应用 最广泛的解决方案。 相反，在模拟电路领域，电路的设计目前主要还是依靠设计者较长时间设计经验的累积和人 工的方法，模拟电路设计的自动化很难得以实现，产品设计过程所耗费的人力成本较高，设计过 程复杂，设计周期很长。针对模拟电路开发过程中存在的这些问题，1 9 9 9 年美国l a t t i c e 公司推 出了在系统可重构模拟器件i s p p a c t 2 ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t yp r o g r a m m a b l ea n a l o gc i r c u i t s ) ， 首次把在系统可重构技术引入到模拟电路的应用领域，为现代模拟电路与系统的设计开拓了更广 阔的前景。在系统可重构模拟器件将高集成度、高精确度的设计集于一片i s p p a c 中，打破了传 统模拟a s i c 电路的设计理念，可多次重复配置逻辑状态，甚至在运行时根据需要动态改变系统 的电路结构和参数，从而使系统兼具灵活、简捷、硬件资源可复用、易于升级等多种优良性能， 可重构模拟电路设计与应用研究 并试图通过学习数字a s i c 设计中f p g a 的解决方案，使得模拟电路设计实现过程能够如同数字 电路一样简单、高效。 经过短短几年的发展，现如今可重构模拟电路技术的研究已经逐渐成为国际上电路研究中的 一个新热点。它在工业自动化、电子测量、生物电子学、通信、航海航天、机器人控制p 】【4 】【习等 多种领域都有着十分广泛的应用前景。然而，模拟可重构电路由于自身的原因还需不断地研究和 完善，以满足现代电路设计的需要。 1 2 可重构模拟电路的技术现状及发展趋势 就目前来说，可重构模拟电路的发展历史很短，其标准形式还没有形成。现有的各种可重构 模拟电路在重构单元的粒度、重构方式、系统结构等方面都有极大的不同。 重构的粒度是影响可重构模拟电路性能的主要因素之一。按照重构粒度的大小，模拟型可重 构电路可粗略地分为粗粒度和细粒度两种。细粒度类型的重构单元粒度较小，仅为元件级的重构。 f p t a ( f i e l dp r o g r a m m a b l et r a n s i s t o ra r r a y ) 就是这种细粒度类型器件，以美国国家航空航天局 【6 】【刀【8 删( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，n a s a ) 和德国海德堡大学【1 0 】【1 1 1 2 】【1 3 1 的研 究最为突出。n a s a 已经开发出了三代f p t a 器件，最近的f p t a - 2 是具有8 x 8 个元细胞组成的可重 构阵列，每个元细胞都由若干三极管组成，三极管之间的连接开关由“配置三极管”控制。每个 配置三极管的通断状态由s r a m 中与之对应的位值来决定。与n a s a 所提出的理念类似，德国海 德堡大学独立开发了另一种f p t a ，为区分二者，通常将其称为f p t a - h 。f p t a - h 在互连能力和 三极管特性可配置等方面比f p t a 2 有优势。在f p t a - h 中，一个三极管基本上都能够连接到其他 任意的三极管，然而在f p t a - 2 中，三极管的布局限制了这种连接。此外，f p t a h 独特的三极管 物理特性可编程功能也为电路带来更大的灵活性。细粒度类型器件的特征主要包括：s r a m 型的 配置存储器，方便在线动态重构器件；更细的可编程单元“颗粒度”，方便用细小而基本的组件 组成功能复杂的宏观电路模块。这种重构电路设计过程复杂，但灵活性大，能充分发挥硬件运算 的效率，最早的开发目的是应用在演化计算、定制计算等方面的。 另一种粗粒度类型的重构单元粒度较大，为模块级的重构，即在重构时改变某一个或若干个 子模块的结构。f p a a ( f i e l dp r o g r a m m b l ea n a l o ga r r a y ) 属于这种粗粒度类型的器件，f p a a 与 f p t a 的诞生背景不同，它并不是为演化硬件研究的目的而设计的，而是受到数字现场可编程器件 ( f p g a ) 巨大成功的启发而推出的面向市场应用的模拟类可重构器件。其内部由各种可编程的模 拟功能块组成，可重构单元一般为运算放大器、电阻、电容等。现有的商用f p a a 的代表型号有 两种：一是l a t t i c e 公司的i s p p a c 3 0 1 4 】通用模拟前端芯片；二是a n a d i g m 公司的a p e x 系列动态可 重构模拟阵列。i s p p a c 3 0 器件由四个模拟输入端、四个输入放大器、两个输出放大器、两个内部 可调节电压源和两个乘法数模转换器等组成，输入放大器的增益可以在线设置。a n a d i g m 公司的 第三代动态可重构器件沿袭了此前使用的开关电容网络技术【15 1 ，在局部、动态重构能力上有所 2 南京航空航天大学硕士学位论文 提高。a n 2 3 1 e 0 4 器件【1 6 】内部主要部分是由4 组完全可配置的模拟功能块( c a b ) 构成的一个2 x 2 的矩阵。矩阵的周围是可编程内部互连资源和可编程的输入愉出单元。内部还有一个8 2 5 6 b i t 的查找表资源，可以用作任意波形发生器或非线性传递函数产生器。该器件具备s r a m 型配置存 储器和方便灵活的动态重构逻辑接口。利用开发软件，用户可以将a n 2 3 1 e 0 4 的c a b 设置成为积 分器、比较器、放大器、滤波器、触发器、时钟振荡器等数十余种电路功能，且参数可通过动态 重构接口在线修改。在研究型f p a a 方面，加拿大多伦多大学【1 7 1 1 埔】【”】、美国波特兰州立大学 1 2 0 1 1 2 1 】f 2 2 1 、美国约翰霍普金斯大学1 2 3 1 、美国德克萨斯a & m 大学1 2 4 2 5 1 2 3 1 2 7 1 、波兰格但斯克技术 大学【2 8 】【2 9 】、美国马里兰大学p o 】p 1 】等高校均在开展相关的研究，取得了丰富的研究成果，归纳如 表1 1 所示。 表1 1 国外主要研究院校研究成果一览表 研究机构实现技术可重构元素互联网络带宽 加拿大多伦多 连续时间电压模 跨导器实现的可编程开包含有跨导器的纵 1 0 0 k h z 大学 连续时间电流模 关、可变电阻、极性开关横交错互联结构 几十兆 波特兰州立大 连续时间电流模 互联网络、可编程开关、含有c m o s 开关的 学 o t a 跨导值纵横交错互联结构 1 0 m h z 可编程开关、可编程电容 利用反熔丝技术编 约翰霍普金斯 连续时间电压模 阵列( p c a ) 、可编程电阻 程的纵横交错互联不详 大学 阵列( p r a ) 结构 使能或不使能c a c 某些没有互联网络， 德克萨斯大学连续时间电流模 几兆 支路进行编程c a c 之间直接互联 c a b 之间直接的连 波兰各但斯克 连续时间电流模 o