在系统可编程模拟器件及其应用

1、第七章 在系统可编程模拟器件及其应用7.1 概述在系统可编程(In-System Programmability)是指可编程器件在不脱离所在应用系统的情况下，能够通过计算机对其编程。在系统可编程技术首先应用可编程逻辑器件，它改变了数字电子系统的设计和实现方法。1999年底，Lattice公司推出了在系统可编程模拟器件（In-System Programmability Programmable Anology Circuits,简称ispPAC）及其开发软件，从而为EDA技术在模拟电路中的应用开拓了广阔的前景。ispPAC内部有可编程的模拟单元电路，如放大电路、滤波电路、比较电路等，通过计算机

2、编程可以实现模拟单元电路指标参数的调整和单元电路之间的连接，从而获得功能完整的模拟电路。ispPAC可实现三种功能：(1)信号调理，即对信号进行放大、衰减、滤波；(2)信号处理，即对信号进行求和、求差、积分、比较；(3)信号转换，将数字信号转换成模拟信号。与数字在系统可编程器件一样，ispPAC允许设计者使用开发软件在计算机上设计、修改电路，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将设计的电路下载到芯片中，完成模拟电路的设计和实现。ispPAC的开发软件为PAC Designer，采用原理图输入方式，并可仿真幅频特性和相频持性。ispPAC可以反复编程，允许编程次数在一万次以上。7.2 在系统可编程

3、模拟器件的结构和工作原理目前已推出的ispPAC器件主要有四种，ispPAC10为基本的PAC器件，ispPAC20和ispPAC30为带数模转换的PAC器件，ispPAC80和ispPAC81是专用的可编程五阶滤波器，另外还有可编程电源管理芯片ispPAC Power Manager等。ispPAC器件的基本结构由基本单元电路（PAC块）、模拟布线池、配置存储器、参考电压、数模转换器（DAC）、自动校正单元和ISP接口等组成，下面分别介绍ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30和ispPAC80/81的结构和工作原理。7.2.1 PAC块及ispPAC101.PAC块PAC块是i

4、spPAC器件中最重要的单元电路， 每个PAC块由两个仪表放大器和一个输出放大器组成，配以电阻、电容，构成一个差分输入、差分输出的基本单元电路，可独立工作，其等效电路如图7.2.1所示。电路的输入阻抗为109，共模抑制比为69dB，增益调整范围为-10+10。输出放大器的反馈电容CF有128个值可选择，反馈电阻RF为一定值，可编程为接通或断开状态。PAC块中的放大器均由跨导运放（OTAOperational Transconductance Amplifier）组成，与一般的电压运放不同，跨导运放的输出阻抗很高，其输出端可视作压控恒流源，因此放大能力用跨导gm表示，跨导运放的电路符号如图7.2

5、.2所示，其输出电流与输入差模电压的关系为 （7.2.1）跨导gm与运放的偏置电流成正比，因此，可通过调节偏置电流来改变OTA的增益。如将OTA的输出全部反馈到反相输入端，而同相输入端接地，如图中的OTA2，则此时的OTA构成一个等效电阻R，其值为将此OTA与开环的OTA串联，即构成增益可调的电压放大器，其输出电压与输入电压的关系为 （7.2.2）调节gm，即可调节电压放大器的增益k。在图7.2.1所示的PAC块的等效电路中，输入电压uI1、uI2和输出电压u0均是差模电压，uA=k1uI1，uB=k2uI2，当反馈电阻RF编程为连通时，C点电位为因此，PAC块输入输出关系为 （7.2.3）式

6、中RF=250k，k1和k2可在范围内编程，步进为1。由此得此时PAC块的上限截止频率为，由于CF的最小值是1.07pF，最大值是62pF，输出级运放的带宽为5MHZ,所以PAC块的上限截止频率范围为10.2595.2kHZ，当信号频率远低于截止频率时，PAC块相当于一个求和电路。当RF编程为断开时，PAC块的输入输出关系为 （7.2.4）此时，PAC块相当于一个具有求和功能的积分电路。2ispPAC10ispPAC10为28脚双列直插式器件，其内部结构框图和引脚图如图7.2.4所示。它包含有四个PAC块，每个PAC块均可独立工作，PAC块之间可以通过模拟布线池中的连线实现互联。改变四个PAC

7、块的接法，可以构成增益为±1±104的放大器或复杂的滤波器。ispPAC10的内部电路示意图如图7.2.5所示。7.2.2 ispPAC20ispPAC20为40脚直插式器件，其内部结构框图和引脚图如图7.2.6所示。它包含有两个PAC块，两个比较器，一个DAC，其内部电路示意图如图7.2.7所示，下面将ispPAC20与 ispPAC10的不同之处加以说明。图7.2.7 ispPAC20的内部电路示意图1. PAC块ispPAC20中PAC块的结构与ispPAC10基本相同。但增加了一个多路输入控制端MSEL。通过器件的外部引脚MSEL来控制。MSEL为0时，A连接至IA

8、1；MSEL为1时，B连接至IA1。另外，还可通过外部引脚PC来控制IA4的增益极性。PC引脚为1时，增益调整范围为10至1；PC引脚为 0时，增益调整范围为10至1。2. 比较器在ispPAC20中有两个可编程的双差分比较器，比较器的基本工作原理与常规的比较器相同。当同相端的输入电压高于反相端的输入电压时，比较器的输出为高电平，否则为低电平；当两个比较器的输出经过异或门（XOR）再输出时，二者实现了窗口比较器的功能（注意CP2同相端前的反相器）。当比较的输入信号变化缓慢或混有较大的干扰时，可通过施加正反馈将比较器设置成迟滞比较器，迟滞信号的幅度定为47mV，且正、反相均相同。比较器是否设置成

9、迟滞比较器由配置单元Hyst决定，Hyst=on时设置，Hyst=off时不设置。3. D/A转换器ispPAC20中的DAC是一个8位数字量输入、电压输出的数模转换器。数字接口方式可自由选择为：8位并行方式；串行JTAG 寻址方式；串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据总长度为8位，D0（LSB，最低位）处于数据流的首位，D7（MSB，最高位）为最末位。DAC的输出是完全差分形式，其输出电压不仅可以直接输出，也可供器件内部的比较器或仪用放大器输入端选用。无论采用串行还是并行的输入方式，DAC的编码均如表6.2.1所示。表6.2.1 DAC编码表7.2.3 ispPAC30ispPAC30为双

10、列直插式器件，其内部结构和管脚如图7.2.8所示，ispPAC30内部包含四个仪表放大器，两个独立的内部可控参考源（64mV2.5V,分七级）和两个增强型DAC。它最主要的特性是能够通过SPI对器件进行实时动态重构，设计者可以改变和重构ispPAC30无数次，用于放大器增益控制或其他需要动态改变电路参数的应用。7.2.4 ispPAC80/81ispPAC80可实现五阶连续时间低通模拟滤波器。无需外部元件或时钟。在PAC设计软件中的集成滤波器数据库提供了数千个模拟滤波器，频率范围从50kHz到750kHz。可对任意一个五阶低通滤波器执行仿真和编程，滤波器类型为：Gaussian（高斯）、Bes

11、sel（贝塞尔）、Butterworth（巴特沃斯）、Chebyshev（切比雪夫）、Elliptic(椭圆) 、Legendre（拉格朗日）和Linear Phase Equiripple Delay Error（线性相位等纹波延迟误差）等。ispPAC80内含一个增益1、2、5、10可选的差分输入仪表放大器（IA）和一个差分输出求和放大器（OA）。1G的差分输入阻抗使电路有较高的共模抑制比，差分输出使得可以在滤波器之后使用高质量的电路。此外，ispPAC80有个双存储器配置，它能为两个完全不同的滤波器保存配置。 ispPAC81与ispPAC80器件极为相似，内部结构和引脚图完全相同，如图

12、7.2.9所示。所不同的是用ispPAC81的频率范围从10kHz到75kHz。PAC-Designer 1.3以上版本的软件支持ispPAC81器件，其设计操作与ispPAC80器件相同。7.3 在系统可编程模拟器件应用举例7.3.1 放大电路设计模拟信号输入至ispPAC器件时，要根据输入信号的性质，考虑信号的耦合问题，即需要设置外部接口电路。1. 信号耦合方式由于PAC器件采用+5V单电源方式供电，差分仪表放大器的两个差分输入端需有2.5V的直流偏置电压，放大器才能工作。因此，根据输入信号的特性，有三种耦合方式。(1) 简单的直接耦合：若输入信号中的共模电压或直流分量接近2.5V，则信号

13、可以直接与ispPAC 的输入引脚相连。如直流电桥测量电路的激励电源等于+5V时，被测信号中含有2.5V的共模信号，电路如图7.3.1所示。(2) 外接偏置电路的直接耦合：倘若信号中未含有2.5V的共模电压或直流分量，就需外接如图7.3.2所示的直流偏置电路。通过改变电阻R1、R2的大小，把两输入端的直流偏置电压调至2.5V。外接偏置电路对输入的差模分量有一定的衰减，设置电路增益时要相应提高放大倍数以抵消其衰减作用。(3) 阻容耦合：倘若是交流偶合，外接电路如图7.3.3所示。此电路构成了一个高通滤波器，其截止频率为1/(2pRC)，电路给信号加了一个直流偏置。电路中的UREF可以用两种方式得

14、到。一是直接与器件中的VREFout引脚相连，此时电阻最小取值为200KW； 另一种方法是采用PAC块的输出，此时电阻的最小取值为600W。ispPAC中的基准电压VREFout 是带隙基准电压源，其输出阻抗很高，当用作参考电压输出时，要经过缓冲电路才会有较强的负载能力。其实可以将PAC块作为UREF 使用，电路如图7.3.4所示，图中PAC块的两个仪表放大器的输入端悬空，反馈电阻RF连接。此时输出放大器的两个差分输出端的电压均为2.5V ，它与VREFout引脚的电压大小相等，使用时必需注意，虽然PAC块的两个输出端电压相等，但两者不能短接。图7.3.4 PAC块用作UREF2. 增益设置方

15、法(1) 整数倍增益的设置方法：由于ispPAC10中每个PAC块的增益可在之间按整数步长设置，四个PAC块组合起来可实现增益为中任意整数的放大电路，图7.3.5为增益等于-50的放大电路，其中IA1的增益设置为5，IA3的增益设置为-10，IA2和IA4不用，信号从PAC1输入，从PAC2输出。如果要得到非10倍数的整数增益，例如增益Au=28，可使用如图7.3.6所示的配置方法。图中，IA3和IA4组成加法电路，因此有以下关系：uOUT1 = 2uIN1uOUT2 = 10uOUT1+8 uIN1整个电路增益Au = uOUT2/ uIN1 = 28(2) 分数倍增益的设置方法：分数倍增益

16、可通过外接电阻实现，图7.3.7中通过外接两个50k和11.1k的电阻分压，得到IA2的输入电压uIN2=11.1/(50+50+11.1)uIN=0.0999 uIN0.1uIN 而输出电压uOUT1=5 uIN1 +7uIN2=5uIN +7×0.1uIN=5.7 uIN因此整个放大电路的电压放大倍数Au= uOUT1/ uIN =5.7(3) 整数比增益的设置方法：利用负反馈可使ispPAC器件无需外接电阻而实现某些整数比增益的放大电路，如图7.3.8所示。放大器IA1和放大器IA2的增益值反号，输出放大器的反馈电阻设置为断开，这样放大器OA1和IA2连接成负反馈，从而使OA1

17、的同相输入端和反相输入端的电位差为零，当信号频率远低于上限截止频率时，CF可看作开路，此时若IA1的增益为k1，IA2的增益为k2，则有k1uIN+k2uOUT=0，Au=uOUT/uIN=-k1/k2。如k1=5，k1=-8，则Au= uOUT/uIN =5/8。若输出电压中有小的高频毛刺而影响测量精度，这时需稍稍增大反馈电容CF的值。7.3.2 滤波器设计有源滤波器一般采用运算放大器和阻容元件实现，但在ispPAC器件中没有独立的电阻、电容和运算放大器，因此要使用PAC块来设计和实现高阶滤波器，（1）双二阶低通、带通滤波器双二阶型函数能实现所有的二阶滤波函数，其表达式如下： （7.3.1）

18、式中m=1或0，n=1或0，c、d、p、b、k均为实数。低通滤波器的转移函数为 （7.3.2）带通滤波器的转移函数为 （7.3.3） 首先讨论低通函数的实现，低通滤波器的转移函数可作如下变换： （7.3.4）式（7.3.4）中，b=k1k2，用方框图表示，则如图7.3.9所示。不难看出方框图中的函数可以分别用反相器电路、理想积分电路、有耗积分电路来实现。把各个运算放大器电路代入图7.3.9所示的方框图中，U3作为输出信号UO，即可得到如图7.3.10所示的电路。下面再讨论带通函数的实现，如框图中U1作为输出信号UO，则 （7.3.5）输入、输出的关系与带通滤波器的转移函数相同，因此图7.3.1

19、0中，若信号从A1输出，则为二阶带通滤波电路，故名双二阶低通滤波器。该电路中包含两个积分电路，对照ispPAC器件中PAC块的结构，用两个PAC块即可构成一个双二阶低通滤波器，电路如图7.3.11所示。PAC1构成具有求和功能的有耗积分器，它对应图7.3.10中A1和A3组成的电路，PAC2构成理想积分电路，与图7.3.10中A2组成的电路对应。为了保证整个电路工作在闭环负反馈状态，PAC1中IA2的增益k21必须设置为负值。由上一节的式（7.2.3）得PAC1的输出电压uO1与两个输入电压的关系为 （7.3.6）由式（7.2.4）得PAC2的输出电压与输入电压间的关系为 （7.3.7）联立式

20、（7.3.6）和（7.3.7），解得 （7.3.8）与二阶低通滤波器转移函数的标准形式 （7.3.9）比较，式中为滤波器的通带增益，为截止频率，称为等效品质因数，可得 （7.3.10） （7.3.11） （7.3.12）如要设计一只Q=0.7、f0=15kHZ、通带增益Aup=2的低通滤波器，由式（7.3.10）得设k12=-k21=1，由式（7.3.11）得由式（7.3.11）、（7.3.12）和k12=-k21=1得 k11=Aup=22ispPAC80/81的软件设计方法ispPAC80/81的内核是一个五阶滤波器，其软件设计方法与ispPAC10、ispPAC20稍有不同，在产生新文件

21、的对话框中，选择ispPAC80/81 Schematic栏，进入如图7.3.12所示的ispPAC80/81的图形设计输入环境：图7.3.12 ispPAC80 图形设计输入环境每片ispPAC80/81器件可以同时存贮两组不同参数的五阶滤波器配置 (CfgA和CfgB)，在进行设计前其默认值是空的(CfgA unknown, CfgB unknown),如图7.3.12所示。ispPAC Designer软件含有八千多种不同类型和参数的五阶滤波器库，设计者可以调用该库从而方便地完成设计，方法如下。先设计第一个配置(CfgA)：双击 CfgA unknown所在的矩形框，产生如图7.3.13

22、所示的五阶滤波器库。该库中含有各种不同类型的滤波器，如巴塞尔滤波器(Bessel)、线性相位滤波器、高斯滤波器(Gaussian)、巴特沃斯滤波器(Butterworth)、切比雪夫滤波器（Chebyshev）椭圆滤波器等，每种类型的滤波器根据其参数值的不同，又分为不同的具体型号，共计8244种。根据设计要求选定一种滤波器，如第4001种(ID号为4000)的椭圆滤波器，双击该ID号，将该种滤波器拷贝进ispPAC80的第一组配置Configuration A中。同样可再选一种滤波器并将其拷贝进Configuration B中。这时，图7.3.12所示的 ispPAC80 图形设计输入环境变成

23、图7.3.14所示。图7.3.13 五阶滤波器库图7.3.14 调入滤波器库后的 ispPAC80 图形设计输入环境在图7.3.14中，双击输入仪表运放IA图标，可以调整输入增益倍数(1,2,5或10)。同样，双击Wakeup=Cfg A的梯形图标，可以设置激活配置 Cfg A或Cfg B。在上述设计输入完毕后，按Tools=>Run Simulator菜单，可对设计进行仿真，其方法与ispPAC10的仿真方法相同。若仿真结果仍与设计要求有所偏差，则还可以调整图7.3.14中的滤波器参数 C1, C2, L2,C3,C4,L4和 C5(双击该处即可进入参数调整状态)。这些参数的含义如图7

24、.3.15所示。图7.3.15 ispPAC80内部的五阶滤波器简化结构示意图7.4 PAC-Designer 软件及开发实例7.4.1 PAC-Designer 软件的安装PAC-Designer 软件的安装步骤如下：（1）在 PAC-Designer 软件的根目录下，运行setup.exe，根据提示步骤进行安装。（2）安装完毕后重新启动计算机。（3）PC机的每个硬盘均有一个8位的16进制硬盘号，根据该硬盘号到Lattice公司网址上()申请一个运行PAC-Designer软件必须的许可文件license.dat，并将其拷贝至C:PAC-Designer (假定按软件提示的目录未作改动进行了

25、安装)目录下。7.4.2 PAC-Designer 软件的使用方法1. 设计输入在Windows界面下，按Start=>Programs=>Lattice Semiconductor=>PAC-Designer菜单，进入PAC-Designer软件集成开发环境(主窗口)，如图7.4.1所示。图 7.4.1 PAC-Designer 软件集成开发环境PAC-Designer软件提供给用户进行ispPAC器件设计的是一个图形设计输入接口。在PAC-Designer软件主窗口中按File=>New菜单，将弹出如图7.4.2所示的对话框：图7.4.2 产生新文件的对话框选择所用

26、的PAC器件，如ispPAC10，进入图7.4.3所示的原理图输入环境，根据设计要求，在该图的基础上添加连线和编辑元件。双击某一结点，就会弹出连线对话框，按设计要求 图7.4.3 ispPAC10原理图编辑窗口连线即可。如在图7.4.3中，将IN1连接到IA1的输入端，OA1的输出端连接到IA3的输入端，OA2的输出端连接到IA2的输入端。双击要编辑的元件，就会弹出相应元件的对话框，根据需要选择即可。如根据上一节的计算，在图7.4.3中，分别双击IA1、IA2、IA3，设置增益k11=2，k21=-1，k12=1，双击电容CF1、CF2，选择CF1=29.7pF，CF2=60.6pF，OA1的

27、反馈电阻连通，OA2的反馈电阻断开。2. 设计仿真原理图输入完成后，可使用PAC Designer中的模拟器（Simulator）对所设计的电路进行仿真，在主窗口中按Operation=>Simulator菜单，将弹出一个设置仿真参数的对话框，如图7.4.4所示。在该对话框中确定仿真频率的起始值和终止值、仿真点数、输入结点和输出结点。该软件可同时仿真四条频率特性曲线，每一条曲线可独立设定仿真参数，如Curve 1设定为低通滤波器的频率特性曲线，则其输入结点为Ui1，输出结点为Uout2，Curve 2设定为带通滤波器的频率特性曲线，则其输入结点为Ui1,输出结点为Uout1等。 图7.4.4 ispPAC仿真曲线参数设置完成参数设置后，按Tool=>Run Simulator菜单即可进行仿真，仿真结果以幅频特性和相频特性曲线的形式给出，如图7.4.5所示。图7.4.4 双二阶