（微电子学与固体电子学专业论文）基于开关电容技术fpaa的cab电路设计.pdf

摘要 摘要 f p a a f i l e dp r o g r a m m a b l ea n a l o ga r r a y s 即现场可编程模拟阵列 是近 年来新兴的可编程模拟器件的一种 f p a k 的最大特点是动态可编程 即器件在出 厂后可由用户通过编程来配置器件的内部连接和元器件参数 以获得所需的电路 功能 另一特点是 它属于模拟集成电路 即电路的输入 输出甚至内部状态均 为时间连续 取值连续的模拟信号 因此与传统的模拟电路设计方法相比 利用 可编程模拟器件设计模拟电路更方便 更快捷 缩短了产品的研制周期 增强了 其竞争力 与可编程逻辑器件f p g a 中的基本单元c l b 类似 f p k a 也有其相应的可编程 模拟模块 c o n f i g u r a b l ea n a l o gb l o c k c a b c a b 是f p k a 的核心部分 其电路 组态的多少以及性能指标的优劣直接决定了整个f p a a 芯片的应用范围与性能 通 常c a b 由运算放大器 可编程电容 电阻 阵列以及可编程开关阵列等构成 对 c a b 进行编程便可实现不同的电路功能和不同的性能参数 编程数据存储在内部的 s r a m 中 目前 c a b 构架以及性能的优化设计也是f p 从研究的重点之一 本文的主要工作就是围绕f p a a 的核心部分一一c a b 模块展开的 首先 介绍了可编程模拟器件特点 研究现状以及发展趋势 从而明确了该 课题的研究意义 其次 对f p 从的概念 结构以及c a b 的组成架构进行了阐述 分析与研究了 目前f p a a 的多种实现技术 并在此基础上对不同的c a b 架构进行了比较 从而为 本文的c a b 架构设计奠定了基础 然后 基于开关电容技术完成了c a b 电路的设计 所设计的c a b 中主要包括 全差分运算放大器 可编程电容阵列 基准源 比较器 逐次逼近寄存器以及一 些其他电路 通过对这些单元的编程 可以实现不同的功能 最后 对f p a a 可实现的功能进行了混合仿真验证 总之 基于开关电容技术 本文完成了f p a a 中核心模块 c a b 的电路设计 基于本文设计的c a b 电路 该f p a a 可以实现十余种模拟电路功能 从而扩大了此 f p a a 芯片的应用范围 取得了阶段性的成果 关键词 现场可编程模拟阵列 可编程模拟单元 比较器 逐次逼近 a b s t r a c t a b s r a t c t f p 八a t h ef i l e dp r o g r a m m a b l ea n a l o ga r r a y s i so n eh n do ft h ep r o g r a m m a b l e a n a l o gd e v i c e s p a d t h a ta p p e a rr e c e n t l yy e a r s n l em a i na d v a n t a g eo ff p a a i st h e d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n w h i c hm e a n st h ec u s t o m e rc o u l da c h i e v et h en e e d e da n a l o g c i r c u i t sb yp r o g r a m m i n gt h ei n t e r n a lc o n n e c t i o n sa n dt h ep a r a m e t e r so ft h ed e v i c ea f t e r l e a v i n gf a c t o r y m e a n w h i l e f p a ab e l o n g st oa n a l o gi c t h ei n p u t o u t p u ta n dt h e i n t e r n a ls t a t ei st i m e c o n t i n u e s v a l u e c o n t i n u e sa n a l o gs i g n a l s c o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a la n a l o gc k c u kd e s i g n t h em e t h o dd e s i g n i n ga n a l o gc i r c u i t sw i t hf p a ai s m o r ec o n v e n i e n ta n dl e s st i m e s ot h ec k c u i t sa r em o r ec o m p e t i t i v e a st h es a m ea st h ec l bo ff p g a f p a aa l s oh a st h eb a s i cc e l l c o n f i g u r a b l e a n a l o gb l o c k c a b w h i c hi st h ec o r eo ft h ef p 从 i tu s u a l l yi n c l u d e so p a m p p r o g r a m m a b l ec a pa r r a y s c o n f i g u r a b l es w i t c ha r r a y s a n ds oo n t h ec a p a c i t a n c e v a l u e s d i f f e r e n tt o p o l o g i e so ft h ec i r c u i t sc o u l dc h a n g eb yp r o g r a m m i n gt h ed a t e s s t o r e di nt h es r a m b yc h a n g i n gt h ep r o g r a m m a b l ed a t e s t h ec a bw i l lp r o v i d e d i f f e r e n tc i r c u i tf u n c t i o n s s ot h ep e r f o r m a n c eo faf p a am a i n l yd e p e n d so nt h ec i r c u i t c o n f i g u r a t i o n sa n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a b n o wt h eo p t i m i z i n gd e s i g no ft h ec a b i sa l s oo n eo ft h ei m p o r t a n td i r e c t i o n so ft h ef p a ad e v e l o p m e n t t h e w o r ko nt h i st h e s i sw i l lf o c u so nt h ec i r c u i td e s i g no ft h ec a b f i r s t l y b yi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to ft h ep a d a n a l y z i n gt h er e s e a r c ha c t u a l i t y a n dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t s ow eu n d e r s t a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c h s e c o n d l y i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p ta n dt h e b a s i cc o n s t r u c t so ft h ef p a a a n a l y z i n gt h et e c h n o l o g i e so ft h ep o p u l a rf p 蚣d e v i c e so nm a r k e t c o m p a r i n gt h e d i f f e r e n tc o n s t r u c t so ft h ec a b a l lo ft h e s ea r et h eb a s i co ft h es t r u c t u r ed e s i g no ft h e c a bo nt h i st h e s i s t h e n b a s e do ns w i t c h c a p a c i t o rt e c h n o l o g y d e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h ec a b m a i n l yi ti n c l u d e so p a m p 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 s r e f e r e n c e c o m p a r a t o r s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t er e g i s t e r a n ds oo n b yp r o g r a m m i n gt h e s eb a s i cb l o c k s t h e c a bc o u l da c h i e v ed i f f e r e n tf u n c t i o n s f i n a l l y t ov e r i f yt h ef u n c t i o n so ft h ed e s i g n e dc a b s o m es i m u l a t i o n sw e r ed o n e i i a b s t r a c t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef p a ab a s e do nt h i sc a bc o u l da c h i e v ea b o u t13 k i n d so ff u n c t i o n s i naw o r d b a s e do nt h es w i t c h c a p a c i t o rt e c h n o l o g y t h i st h e s i sc o m p l e t e dt h e c i r c u i td e s i g no ft h ec a bo ft h ef p a a b a s e do nt h ed e s i g n e dc a b t h ef p 气ac o u l d a c h i e v ea b o u t1 3 a n a l o gc i r c u i tf u n c t i o n s s ot h ew o r ko ft h i st h e s i se x t e n d st h e a p p l i c a t i o nr a n g eo ft h ef p a aa n dp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o je c t k e y w o r d s f p a a c a b c o m p a r a t o r s a r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 彭矽釜 日期 矽印年午月刁日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 王么左叁 导师签名 芒丝丛 日期 枷c 年子月叩日 第 章绪论 第一章绪论 自从上世纪8 0 年代以来 微电子技术得到了飞速地发展 随着工艺技术的不 断提高 线宽的不断减小 电子系统的设计已经到了l s i v l s i 阶段 使芯片的 集成度高达几十亿个晶体管 lj 然而随着集成度的不断提高 芯片设计的复杂程度 也在急剧增加 此外 由于v l s i 的功能干变万化 要制作一个各种系统皆能接受 的通用硬件v l s i 电路是不可能的 制作a s i c 专用集成电路 是解决方法之一 在数字电路设计领域中 现场可编程器件f p g a 与复杂可编程逻辑器件c p l d 的 诞生以及各种方便实用的e d a 工具的出现 为现代电子系统的设计提供了极大的 方便 数字电路虽然飞快地发展 但其终究不能代替模拟电路 2 1 生活中 像声音 光 温度 湿度 速度以及压力等等 都是模拟信号 因此模拟电路是现实世界 与内部数字处理电路的接口 但模拟电路的开发却相对困难 首先 模拟电路的 结构千变万化 性能参数之间相互冲突 其次 设计者要掌握电路 半导体等多 种知识 另外 设计者还要具有丰富的电路 版图和测试等经验 这样才能开发 出具有竞争力的产品 因此 如何使模拟电路的开发可以像数字电路那样方便快 捷成了各大公司与高校研究的课题 与数字领域中f p g a 相对应的可编程模拟器 件的出现 是这一研究的重大成果 它极大地缩短了模拟电路产品的研制周期并 增强了其竞争力 1 1 可编程模拟器件的价值与作用 可编程模拟器件是近年来崭露头角的一类新型集成电路 该类器件在出厂后 可由用户通过改变器件的配置来获得所需的电路功能 2 j 即该类器件是现场可编程 的 利用可编程模拟器件配合相应的开发工具软件 便可以像设计数字电路那样 方便 快捷地完成模拟电路的设计 修改 编程和验证 从而极大地缩短产品的 研制周期并增强其竞争力 与普通的模拟电路相比 可编程模拟器件具有包括理 想的 可预测的电路性能 灵活的编程特性 产品的一致性以及较低的综合成本 和较高的设计自动化程度等优点 首先 可编程模拟器件多采用类似于集成运放的电路结构和工艺 而所需外 围元件更少 因而具有更为理想的电路特性 适于用作模拟电路设计的基本模块 电子科技大学硕士学位论文 其次 可编程模拟器件的内部资源更丰富 电路结构灵活多变 主要的元件 参数可分多级进行精细调整 因而同一种器件可实现多种不同的电路类型和设计 目标 具有前所未有的灵活性和适应能力 再者 与可编程逻辑器件类似 可编程模拟器件内部连接和元件参数的改变 均借助于对其内部配置数据串的可编程 因而便于利用电子设计自动化 e d a 工具进行分析 仿真和配置 提高模拟电路设计的自动化程度 利用可编程器件 及其开发工具 系统工程师或数字设计工程师即便缺少模拟电路的设计经验和电 路知识 或者欠缺进行电路仿真和复杂数学运算的能力 也仍然能够很快设计出 专家水平 的模拟电路 这对于解决模拟电路设计任务繁重和合格的模拟设计 工程师大量短缺这一矛盾意义重大 最后 可编程模拟器件属于半定制的专用集成电路 a s i c 即器件本身不具 有通用性 但用户可对器件进行编程以实现所需的电路功能 它同时具备标准集 成电路使用灵活 开发费用低 开发周期短 以及a s i c 保密性强 针对特定应用 等优点 还可以作为a s i c 开发的中间媒介和过渡途径 可以最大程度地降低产品 的开发成本 并缩短上市时间 增加产品的竞争力 正是因为上述的特性 使可编程模拟器件的应用也相当广泛 目前 可编程 模拟器件己在电子线路实验 传感器匹配 数据采集 信号处理 仪器仪表 控 制与检测 人工神经网络等重要领域中得到了初步的应用并展现出广阔的应用前 景 3 o 1 2 可编程模拟器件的发展与研究现状 可编程模拟器件问世于2 0 世纪9 0 年代初期 最早的f p a a 是设计了 种主 要应用与模拟神经网络的综合与测试的现场可重构造集成电路 由s i v i l o t t i 提出i c m o s 传输门在多层布线网络中用作有源开关元件连接基本元件 后来又发展了 一种基于c m o s 亚阂值电路技术的低功耗f p a a 其中由s r a m 控制的传输晶体 管作为有源开关元件连接基本电路模块 再后来又提出了o p a m p 阵列和与之相连 的可编程电容和电阻技术 在国外 对可编程模拟器件的研究起步较早 而且取得了 定成果 先后有 m o t o r o l a i m p l a t t i c e f a s a n s d i g m 等公司开发生产了多款可编程模拟器 件产品 产品也是各具特色 这些器件也可以反映可编程模拟器件的发展历程和 当前水平 参见表1 1 2 第一章绪论 表1 1主要的可编程模拟器件系列及特点 闭环带 器件系列公司名称适用范围技术特点备注 宽 e p a c i m p 1 5 0 k h z信号调理开关电容 19 9 7 年停产 m p a am o t o2 5 0 k h z通用信号处理 开关电容1 9 9 8 年停产 2 0 0 0 年恢复 a n l o e 0 4a n a d i g m5 0 0 k h z 信号处理开关电容 生产 内部固定 t r a cf a s1 2 m h z 通用信号处理连续时间 连接 数模混合 f i p s o cs i d a s 信号处理连续时间 s o c 在系统可编 i s p p a c l a t t i c e6 0 0 k h z通用信号处理连续时间 程 e p a c e l e c t r i c a l l yp r o g r a m m a b l ea n a l o gc i r c u i t 电可编程模拟电路 系列器 件是由i m p 公司于1 9 9 5 年推出 但是在1 9 9 7 年后停产 该系列产品采用开关电 容技术 是典型的离散时间模拟电路 闭环带宽约为1 5 0 电 主要适合用于低频 信号调理 该系列的最大特点是所包含的可编程模拟单元的个数较少 而每个单 元的功能很强 组态较多 4 l 1 m p 公司称之为专家级单元 m p a a 系列器件是由著名的摩托罗拉公司于1 9 9 7 年推出的 但是在1 9 9 8 年 该部门与f p g a 部门一起退出了市场 该系列器件同样属于采用开关电容技术的 离散时间系统 其闭环带宽可达2 5 0 k h z 主要适用于常规信号处理 利用单个的 可配置模拟单元 c o r t f i g u r a b l e a n a l o gb l o c k c a b 即可实现消除失调 整流器 增益级 比较器 门限可编程 由电压基准源提供 和一阶滤波器等信号处理功 能 t r a c t o t a lr e c o n f i g u r a b l ea n a l o gc i r c u i t 完全可重配置模拟电路 是英国 f a s f a s t a n a l o gs o l u t i o n sl t d 公司所出品的现场可编程模拟器件系列产品的总 称 该系列于1 9 9 7 年推出 目前仍是市场上的主流品种之一 t r a c 系列现有 t r a c 0 2 0 t r a c 0 2 0 l h 微功耗版本 z x f 3 6 l x x 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c a b 由运放 可配 置电阻和电容 多路模拟开关等组成 可编程互连网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c a b 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c a b 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1 2 m h z 面向模拟计算的器件结构和便于向a s i c 移植的 电子科技大学硕士学位论文 产品线 该系列的主要特点是基于连续时间处理技术 并且采用独特的面向模拟 计算的设计思想和器件结构 但该系列器件电路内部结构不够丰富 有时需要手 工接入外部连线 这些都使得电路的集成度和设计自动化程度有所降低 测试也 不够方便 l a t t i c e 公司的i s p p a c i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e a n a l o gc i r c u i t 在系统可编程 模拟器件 于1 9 9 9 年1 1 月推出 5 1 也是目前市场上较为流行的主流产品 i s p p a c 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 o t a 取代电压运算放大器 以基于o t a 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o t a 的偏置电流 从而改变其互导增益g i n 和电压放 大器增益a u 实现对c a b 的配置和参数调整 i s p p a c 系列包括p a c l 0 p a c 2 0 p a c 3 0 等通用型器件和p a c 8 0 p a c 8 2 等i s p 滤波器 由于在i c 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 a n a d i g m 公司是由摩托罗拉公司有关技术人员购买了m p a a 系列器件的技术 专利后组建的 在m o t o r o l a 公司1 9 9 7 年推出的m p a a 系列器件的基础上 a n a d i g m 公司于2 0 0 0 年推出了新型f p a a 器件 a n l 0 e 4 0 该器件依然则采用开关电容技 术 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c a b 山运放 电 子开关和开关电容等组成 对信号来原 去向和各电容容量 均有2 5 6 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3 2 种 分频比 和相位 每种频率4 种 这样 单个c a b 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c a b 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i c 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 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 该 公司生产的a n 2 2 1 e 0 4 产品 目前是市场上比较成熟的产品 对于s i d s a 公司推出的f i p s o c 系列器件 与以上各系列产品相比 其规模 更大 结构更复杂 功能也更强 它已不再是严格意义上的可编程模拟器件 而 是集成现场可编程门阵列 现场可编程模拟阵列和8 0 5 1 微处理器内核等为一体的 数模混合现场可编程片上系统 它具有独特的硬件结构和较为完备的软 硬件调 试手段 不失为快速开发模拟 数字集成应用系统 特别是中 小规模片上系统 的理想选择 其典型应用已涉及工艺控制 通讯 仪器仪表等众多领域 与采用 4 第一章绪论 通用性模拟器件 数字f p g a 和常规设计工具的 模 数分离型 设计方案相比 利用f i p s o c 混合信号片上系统和集成化的评估与验证设计流程 可以使产品的研 制周期缩短3 0 一4 0 而对于国内来说 目前仅有西安电子科技大学 复旦大学与中国电子集团2 4 所进行相关的研究 但西安电子科技大学主要限于可编程模拟器件的开发应用方 面 而复旦大学与中电2 4 所对可编程模拟器件的研究也处于刚刚起步阶段 目前 还没有突破性的进展 市场上也还没有成熟的产品出现 可编程模拟器件从诞生至今仅仅几年时问 现阶段有关的技术与产品均稍显 稚嫩 现有器件的规模和适用电路类型都很有限 可编程能力与性能指标 如带 宽 内部噪声 之间的矛盾未能得到解决 使其适用范围受到严重限制 设计过 程的自动化程度也远不及可编程逻辑器件 今后需要着重研究的问题包括 如何 兼顾其可编程能力与性能指标 如何在降低成本的同时有效地增加器件的规模和 适用范围 如何引入和实现电路的高层次描述与综合等等f 3 l 可编程开关电流技术 模拟电路硬件描述语言 如v h d l a m s 和电路进化设计等都是有望获得突破性 进展的重要研究方向 f p a a 在实际应用中己经显示出巨大发展潜力 随着开关电容技术的完善 使 其在1 m h z 以下应用有良好的前景 并可望用于1 0 m h z 场合 时序技术的发展 会对高性能的可重构造f p a a 起到重要作用 现场可编程模拟系统的下一步革命 是在一块芯片上集成数字与模拟两种功能 即f p m a 6 使设计者可以任意进行数 模转换 f p m a 会以更快速度发展 总之 可编程模拟器件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 未来可编程模拟器件的技术将日益成熟 器件品种将日益丰富 并最终成为模拟 电路设计和应用的首选器件 7 1 3 论文的工作意义及内容安排 模拟可编程器件虽然在实际应用中展现了良好的发展前景 但是目前市场上 的可编程模拟器都是由国外的厂商供应的 而国内还没有设计出具有自主知识产 权的可编程模拟器件 因此本课题的最终目的是自主设计出一款现场可编程模拟 阵列 f a 芯片 以弥补国内在此领域的空白 本文的工作正是基于此出发点 而展开的 该项目主要包括软件与硬件两个部分 电子科技大学硕士学位论文 1 硬件部分 正向设计f p a a 芯片 设计基于f p a a 应用的硬件丌发平台 2 软件部分 针对设计的f p a a 芯片 设计出配套的软件 要求该软件可 用图形化的电路模块 搭建模块级电路 电路仿真以及电路综合等功能 本文主要工作是对硬件部分的设计 主要负责f p a a 内部c a b 的设计与完善 论文关键部分包括 1 f p a a 中可配置模拟单元 c a b 拓扑结构的研究 2 核心单元c a b 电路的设计 电路性能的优化以及功能的扩展 3 模拟单元与数字控制部分的数模混合仿真验证 论文安排如下 第一章 可编程模拟器件的价值 作用 发展与研究现状以及本文的内容安排 第二章 阐述f p a a 的基本原理 分析其实现技术 比较各c a b 架构 第三章 完成c a b 架构以及子电路的设计 同时完成对子电路的仿真验证 第四章 对整个f p a a 芯片进行功能仿真验证 第五章 版图设计 第六章 总结 6 第二章f p a a 基本原理 第二章f p a a 基本原理 目前所存在的f p a a 产品是基于不同技术实现的 主要包括电压模型 电流 模型以及开关电容模型 本章主要阐述了f p a a 的基本原理 2 1f p a a 概念 f p a a f i l e dp r o g r a m m a b l ea n a l o ga r r a y 即现场可编程模拟阵列瞪j 是可编 程模拟器件的一种 该类器件多采用移位寄存器或s r a m 等易失性存储器保存编 程信息 因此 需外接用于编程的存储器或嵌入式微处理器 在每次上电后重新 加载编程信息 另一些则利用e 2 p r o m 或f l a s hr o m 保存编程信息 可利用通 用编程将信息写入 其中有些器件配置有编程接口 可与微机或微处理器连接 实现在线配置 该类器件的主要优点是器件内部的控制电路简单且可无限次编程 缺点是编程不够方便 f p a a 的基本思路是将模拟电路所需要的各种基本单元像积木一样放入芯片 单元之间的联系由编程软件来设定 9 其核心是高速的运算放大器 然后在周围排 布了阻容电路 输入单元 输出单元 时钟电路 参考电压以及查找表等单元 这些电路的内部以及彼此间的连接方式都是可以编程的 利用运算放大器可以实 现绝大多数的模拟电路 因此f p a a 以运放为核心建立起来的 积木阵列 具有 相当广泛的应用领域和使用灵活性 此外 每个系列的f p a a 产品都有相关的e d a 软件 提供方便的图形化编程 模式一 软件本身自带有各c a b 构成的功能库 在设计需要的模拟电路时 只需 要将所需要的功能块从库中拖至设计窗口即可 然后进行相应的信号连接 仿真 验证通过后 即可将编程数据下载到f p a a 的s r a m 中 实现需要的功能 因此 f p a a 配套的e d a 工具的开发也是f p a a 提高开发效率的关键因素 e d a 软件中 模型数量和仿真器性能的强弱也是衡量一款f p a a 性能优劣的主要标准之一 2 2f p a a 的实现技术 可编程模拟器件要在保证电路性能的前提下提供尽可能丰富的结构和参数变 7 电子科技大学硕士学位论文 化 即可编程能力 其难度远远大于可编程逻辑器件 主要的实现技术包括电压 运算 跨导运算 开关电容 开关电流等 前两种属于连续时间处理方式 后两 种则需进行模拟取样 属于离散时间处理方式 而根据处理的信息参量的不同 又可以分为电压模式技术与电流模式技术 表2 1 对电压模式与电流模式的特点进 行了对比 表2 2 总结和比较了连续时间处理与离散时间处理的优缺点 2 1 表2 1电压模式与电流模式的特点比较 表2 2 连续时间处理与离散时间处理的优缺点 下面结合目前市场上存在的主流器件 介绍各种技术的特点及原理 2 2 1 跨导运算技术 在采用该技术的可编程模拟器件中 以电流作为主要信号参量 信号仍以时 间连续 幅度连续的模拟形式存在 以跨导 1 0 运算放大器 o t a o p e r a t i o n a lt r a n c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r 为可编程模拟器件的主要运算单元 基于o t a 的有源元件 部分地取代了无源元件 按照配置数据由d a 转换器相应地改变o t a 的偏置电流 8 第二章f p a a 基本原理 即可对c a b 进行配置和参数调整 各单元间连接关系的改变仍需主要依赖模拟开 关来实现 对电容容量的调整也还主要借助于电容阵列实现 该类技术创新之处 在于互连网络中的开关实际上是可编程线形电阻 由跨导放大器构成的电压放大器如图2 1 所示 o t a l 0 t a 2 u o 图2 1跨导放大器构成的电压放大器 对于图2 1 所示的跨导放大器构成的电压放大器 跨导放大器的增益与偏置电 流成正比 岛l5 轰 2 1 而电压放大器的增益为 凡 鲁 t r l 2 磊r r l 协2 上式中 r l 为输出全部反馈至输入的跨导放大器o t a 2 的等效电阻 阻值为 尺 丝 上l 上 2 3 g 朋2g 2 所以电压放大器的增益为 v o 鱼 丘 2 4 u ig m 2i b 2 因此对于跨导放大器 其增益与偏置电流成正比 改变电流即可改变由跨导放大 器构成的电压放大器的增益 配合其他外围元件即可得到所需的参数 由于电流 比电阻更容易改变 调整范围更大 控制精确度也更高 因此该类器件的参数变 化范围和分辨率显著提高 这也是该类技术的最大优点 基于该技术的典型器件 9 电子科技大学硕士学位论文 为l a t t i c e 公司的i s p p a c l l l l 系列 支持在系统可编程 配置数据保密和失调自补偿 是该系列器件的最大特点 2 2 2 电压运算技术 在基于该技术的可编程模拟器件中 信号始终都以模拟电压的形式存在 器 件中的可编程模拟单元以运算放大器为核心 配合以电阻电容等元件 利用模拟 开关改变单元内部各元件之间的连接关系 即可改变单元的功能配置和电路参数 同样利用模拟开关阵列改变各个单元之间的连接关系 即可改变电路的内部结构 元件参数的改变也可利用模拟开关实现 即通过多路模拟开关将一组按特定规律 取值的同类元件连接成为串并联阵列 其中每个模拟开关的开 关都受对应配置数 据的控制 从而使元件按照设计需要相应地串并联 获得所需要的等效元件取值 t r a c 系列的可编程模拟器件是基于该技术的代表器件 其闭环带宽可达 1 2 m h z c a b 的抽象层次较高 有加 取负 对数 反对数 积分 微分等功能 组态 稍加组合亦可实现乘 除等运算 因此设计者可以在模拟计算的层次上设 计和实现电路 但其内部各c a b 之间的连接基本固定 仅能利用n i p 直通 和 o f f 断开 等组态或外部连线来加以改变 c a b 内的主要元件均取值固定 需 外接r c 元件来改变有关的电路参数 因此可编程能力较弱 设计过程的自动化程 度和总的电路集成度均因此明显下降 采用该技术的可编程器件 其主要性能指标均与常规器件接近 噪声较小 工作速度较高 但受开关非理想化和电路分布参数等制约 其结构和参数变化通 常不够丰富 容易受到极间电容和分布电阻等实际因素的影响 速度和稳定性均 受到限制 2 2 3 开关电容技术 开关电容即受时钟控制的电子开关 电容组合 本文f p a a 就是基于开关 电容技术实现的 因此这里先简单介绍下开关容电路的工作原理l l 引 首先 对图 2 2 a 所示的开关电容电路进行分析 说明其如何等效与图2 2 b 中的电阻r 图2 2 中的并联开关电容等效电阻电路由两个独立的电源v 1 t 和v 2 t 两个受控开关s 1 和s 2 和一个电容c 组成 开关由图2 3 所示的非重叠时钟控制 电压v 1 t 和v 2 t 在时钟周期t 内变化不大 因此假设v 1 t 和v 2 t 在t 内几乎为常量 则可得从v 1 t 流入电容c 的电流1 1 t 的平均值 因为 1 0 第二章 f p a a 基本原理 1 1 t 只在时间0 t t 2 内存在 则平均电流如式 2 5 所示 a b 图2 2 a 并联开关电容等效电阻 b 值为r 的连续时间电阻 审l 平均 彳1 r d 而电荷和电流之间有如下关系 百d q l t 可得 平均 歹1t挣 2o q t r 2 q i o 而一个时不变电容的电荷可以表示为 q c f c x k f 将式2 7 带入2 6 就可以得到如下结果 平均 c v t 广2 v a o c v t 广2 v 2 0 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 电子科技大学硕士学位论文 如果v l t 和v 2 t 在周期t 内近似保持恒定 则有 h 0 v t 2 m r k v 2 o v 2 t 2 v 2 t 2 1 0 2 1 1 当信号频率远小于时钟频率时 将式 2 1 0 与式 2 1 1 带入式 2 9 n i 得流入电容c 的平均电流为 平均 c k v 2 1 2 1 2 图2 2 b 中电阻r 的平均电流i 1 平均 为 平均 塑r 2 1 3 对比式 2 1 2 与式 2 1 3 g 得开关电容电路的等效电阻为 尺 一t 2 1 4 c 因此对于图2 2 a 所示的开关电容组合当作电阻来使用 而且可以通过时钟的 频率来控制其值的大小 图2 4 为由开关电容电路构成的积分器与反相放大器 u o 图2 4 a 开关电容同向积分器 b 开关电容反相放大器 则可得积分器积分时f b j n 数为 仁r 乒玎 鲁 矗 2 1 5 反相放大器的增益为 1 2 第二章f p a a 基本原理 护等一笼一导 2 1 6 这一结论具有非常重要的实际意义 因为目前所采用的m o s 集成工艺难以制造大 电阻和大电容 而且电阻和电容的制造误差均高达5 所以相应的滤波器极点误 差将高达2 1 但电容比的制造误差可以控制在o 1 以下 l2 因而上述开关电容 积分器和开关电容反相放大器均可获得较为理想的电路特性 基于同样的替代方 法 可以将各种常用的r c 有源电路直接移植为开关电容电路 这也是开关电容 技术一度非常流行的原因 基于此技术实现的可编程模拟器件 主要通过改变时钟频率和电容比来获得 丰富的参数变化 这也是此类器件多采用开关电容技术的主要原因和其优势所在 a n a d i g m 公司研制的a n l 0 e 0 4 器件是采用该技术实现的典型产品 但是由于开关 电容电路滤波以及信号频率的限制 使得基于此技术实现的可编程模拟器件工作 速度较低 内部噪声相对较大 a n l 0 e 0 4 的闭环带宽仅为2 5 0 k h z 2 2 4 开关电流技术 开关电流技术是由开关电容技术发展而来的 但以电流取样代替电压取样 巧妙地利用了m o s 管的栅极寄生电容对漏极电流的维持作用 利用开关电流镜可 以实现电流缩放 即乘 除运算 利用电流存储器可以实现单周期信号延迟 而 加 减运算则可通过使电流灌入 流出低阻节点而直接实现 将这些运算单元加 以组合 便可实现任何由差分方程描述的开关电流电路 与开关电容技术相比 开关电流技术的应用范围与之几乎完全相同 但不需 要制作电容阵列 仅需利用普通的v l s ic m o s 处理工艺即可实现 此外在其他技 术中需要通过刻意安排来加以克服的电路分布参数却被开关电流技术巧妙的加以 利用 从而无须制作大电容即可获得更高的工作频率 这是该技术的最大优点 该技术的发展前景广阔 但是由于缺乏商业利益的推动 开关电流技术尚未取得 突破和很好的开发 而要在可编程模拟器件中使用开关电流技术 还必须制作出 带有可编程缩放因子的电流缩放单元 可编程的电流镜或者模拟乘法器 因此 实现起来有一定困难 所以 现阶段基于开关电流技术的可编程模拟器件尚处于 研制阶段 电子科技大学硕士学位论文 2 3f p a a 及c a b 的结构 2 3 1f p a a 基本结构 可编程模拟器件的最大优点在于其可编程 即可以接受外部输入的配置数据 并相应地改变器件的内部连接和元件参数 实现用户所需要的电路功能 为支持 上述可编程能力 可编程器件需以可配置模拟模块 13 1 c o n f i g u r a b l ea n a l o gb l o c k c a b 与可编程互连网络为核心 配合数据存储器 输入单元 输出单元等共同 构成 图2 5 是基本的f p a a 结构框图1 1 4 图2 5f p a a 基本结构框图 其基本组成可以归结为如下几部分 1 输入输出单元 一般与器件引脚直接相连 分别负责对输入 输出信号进 行驱动和变换 2 可配置数据存储器 负责接收和保存外部输入的配置数据 其输出则用于 控制可编程模拟单元和可编程互连阵列 3 可编程模拟单元 这是可编程模拟器件的核心部分 一般由运算放大器 可编程电容阵列以及可编程电阻阵列或者可编程开关阵列等构成 同 个 c a b 通过不同的电路组态和元件参数的配置 便可实现不同的电路类型 和功能 4 可编程互连网络 这可看作是由许多个双向模拟开关构成的多输入 多输 出的信号交换网络 该网络具体的信号连接和传递关系完全由配置数据所 决定 某些可编程模拟器件还需要外接电阻 电容元件 甚至利用外接短 1 4 第二章f p a a 基本原理 路线来完成信号线的传递 目前市场上的f 隗 产品基本都是基于这种框架而构成的 但有些可编程器 件内部既包含可编程模拟单元和可编程互连阵列 又包含用于实现逻辑电路的逻 辑宏单元和开关矩阵 甚至包含嵌入式微处理器 这种器件只需一片便可实现中 小规模的应用电子系统 这种器件既不属于可编程逻辑器件 也不属于可编程模 拟器件 而是数模混合的新型可编程器件 但它在结构和用途上都与可编程模拟 器件有许多共同之处 可以看作是可编程模拟器件的一种推广 2 3 2c a b 的结构 可编程模拟器件中的可编程模拟单元就相当于可编程逻辑器件的逻辑宏单 元 所不同的是可编程模拟单元远比逻辑宏单元复杂得多 不但电路的连接 组 态 可变 而且每个元件都有多达数十至数百种的参数变化 有些可编程模拟单 元的输入 输出甚至已经预先固定连接 其特殊之处在于必须保证信号能够双向 和不失真地传递 衡量一个可编程模拟器件性能的主要指标包括器件规模 可编 程能力 编程方式等综合指标 工作电压 线性范围 额定功耗等直流参数 以 及闭环带宽 频率失真度 共模抑制比等交流参数 通常 可用c a b 的个数来大 致表示其规模 用可供选择的结构和元件参数组合的个数来反映其可编程能力 因此从一定程度上讲 c a b 单元可实现的拓扑结构的种类多寡以及可实现的功能 决定了整个f p a a 芯片的实现的功能的丰富程度与应用范围 此外c a b 电路的性 能也直接决定了整个f p a a 芯片的性能 因此对c a b 的设计在整个设计过程中就 显得尤为重要 下面就针对不同的c a b 结构进行分析 1 e p a c 系列器件的内部结构如图2 6 所示 该系列器件中 主放大器c d e 即为该系列器件的可编程模拟单元 图中 输入放大器a b 的输出端 c d e 的输入端和输出端 输出放大器f g h 的输入端等均连接至可编程互连阵列 图中表示为内部总线 改变器件的配置数 据 即可改变各主放大器的输入信号源 电路组态和元件参数 以及输出放大器 的输入信号来源 从而可以实现不同的电路功能 具有可编程互连阵列相连接的 探测引脚可以选择和监视感兴趣的内部信号 该器件采用髓p r o m 存储配置信息 对e e p r o m 的写入通过串行接口实现 具有掉电检测和处理能力 但是由于此单 元复杂程度较高 不易实现 1 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 6e p a c 器件内部结构图 2 i s p p a c 的基本单元p a c i s p p a c 也是目前市场上比较流行的主流产品 其基本单元p a c 的结构如图2 7 所示 该单元中 仪表放大器i a l i a 2 作为p a c 块的输入级 采用跨导运算放 大器实现 其增益由对应的配置数据决定 可取 1 1 0 之间的任何整数 输出 放大器有跨导放大器i a f 和运算放大器共同组成 其增益固定 电容阵列c f 由7 个电容并联组成 与直流反馈元件i a f 并联后作为输出放大器的反馈回路 电容 阵列的等效电容量受e e p r o m 存储单元中的配置数据控制 从l 6 2 p f 共有1 2 8 种选择 可形成1 2 8 个滤