模拟设计中的EDA技术

第四章模拟设计中的EDA技术4.1在系统可编程模拟器件的应用一、在系统可编程模拟器件概述在系统可编程模拟电路〔In-SystemProgrammabilityProgrammableAnalogCircuits简称ispPAC〕是美国Lattice公司在本世纪末的新创造，它具有三种可编程性能。1.可编程功能：通过软件设计，可实现放大、叠加、滤波、积分等功能。2.可编程互联：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。3.可编程特性：能调整电路的增益、带宽和阀值。PAC_Designer是ispPAC10和ispPAC20的编程设计、仿真和下载的软件，采用原理图输入方式，可对电路的幅频和相频特性直接进行模拟分析。该软件还支持“宏〞〔一种可取代人工配置器件内部的连线及参数的可执行文件〕。软件还提供了与orCAD/Pppice软件的接口。下载电缆与在系统可编程逻辑器件是兼容的。二、根本PAC单元简介Lattice公司已推出ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81、ispPAC-POWER1208、ispPAC-POWER604。ispPAC10和ispPAC20器件在结构上拥有共性局部：根本PAC单元电路，模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口。其中根本PAC单元是ispPAC器件的根本单元。图1-1-2基本单元电路图当OA1反响电阻RF闭环时，改变两个IA的增益K1，K2可改变PAC块的增益。器件由+5V单电源供电，内部的参考电压将输出级的中点电压〔输出共模电压〕设置为+2.5V，使输出信号在+2.5V上下具有对称动态的范围。该参考电压也可用外部的电压取代，改设为其他的值。每个PAC块可以单独使用，也可采用级连、反响的方式构成电路。利用根本单元电路的组合。可以实现放大、求和、积分、滤波等功能，还可以构成二阶滤波器、切比雪夫滤波器等。三、ispPAC10简介由四个根本单元电路，模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口组成。图1-1-1ispPAC10的结构图器件用5伏单电源供电，内部产生2.5伏参考电压。电路的输入阻抗为欧姆，共模抑制比为69dB，增益可以为-10~10的20种选择，输出放大器的电容可以为1pF~62pF的128种选择，反响电阻可以接通或断开。多个PAC块级联后可提供的增益为+〔1~1000〕倍。模拟放大的单元增益带宽为550KHz。该器件主要用来实现信号采集的前端电路和有源滤波器。利用根本单元电路的组合，可以实现放大、求和、积分、滤波等功能。不必在器件外部连接电阻、电容元件；可以构成双二阶滤波器、梯型滤波器〔如巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器〕等复杂功能的模拟模块。在器件使用中的本卷须知：1.所有的差分输入输出脚都标了正负号，只是用作极性参考，连接时可以互换连接。2.所有的差分输出脚，在内部都是实联，当两个仪用放大器不接差分输入脚时，差分输出脚将被作为低阻抗参考电压输出，此时不能将差分输出两端口短接。3.当差分输入端口的信号是单端输入时，差分输入端口的另一个引脚要接直流共模电压，通常是参考电压。四、ispPAC20简介它不仅包含模拟的根本单元电路还包含一些常用数字电路的根本器件，使之除了能实现放大、求和、积分、滤波等功能外，还能完成模数混合的较复杂功能，如精密压控振荡器、电压监控器、温度监控器、波形发生器等。模拟信号的输入输出及内部连接都是采用全差分结构，这样可以提高信噪比，降低失真。由两个PAC块、一个8位数模转换器、两个比较器、二通道选择器、极性控制器、模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口等部件组成图1-2-1ispPAC20结构图ispPAC20的两个PAC块和PAC10的PAC块差不多。〔1〕只是PAC块1的一个仪用放大器的前端有一个二路通道选择器,由外部引脚MSEL来控制，当MSEL接高电平时，选通通道b，当MSEL接低电平时，选通通道a，用软件进行仿真时可以通过软件对MSEL进行设置，但实际电路需要外部电平控制。〔2〕PAC块2的一个仪用放大器的前端有一个极性控制器，由外部引脚PC来控制，当PC为低电平时，极性不反向；为高电平时，极性反向〔这里要把PC的应用方式设置为外部管脚〕，用软件进行仿真时可以通过软件对PC进行设置，但实际电路需要外部电平控制。PAC块2的增益调节范围为-1~-10，这可以通过改变PC管脚的电平来到达-10~10的增益。〔3〕ispPAC20的DACPACcell是一个8位电压输出的DAC。DAC的应用方式有四种，其中内部置数和外部并行输入最为常用。当设置为内部置数时，外部引脚DMode接低电平，ENPSI接低电平；当设置为外部并行输入时，外部引脚DMode接高电平，ENPSI接低电平，当输入数据改变时，要给管脚CS发一个脉冲，它的上升沿将新数据锁存，使之有效。DAC的接口方式可自由选择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，低位处于数据流的首位，高位处于数据流的末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与器件内部的比较器或仪用放大器相连，也可以直接输出。无论采用串行还是并行的方式，DAC的编码均为以下表格所示：在ispPAC20中还有两个可编程的、双差分比较器。比较器的根本工作原理与常规的比较器相同，当正的输入端电压对负的输入端为正时，比较器的输出为高电平，否那么为低电平。比较器还有一些可选择的功能。4.2在系统可编程模拟器件设计举例一、设计直流增益为9的放大器

步骤：1、输入原理图2、仿真3、下载二、PAC-Designer重要功能介绍

1、宏模块应用PAC-Designer中有一宏模块库，其中有一些设计好的典型电路模块。〔1〕ispPAC10_Biquad.EXE:产生适用于ispPAC10的双二阶滤波器；〔2〕ispPAC10_Ladder.EXE:产生适用于ispPAC10的Butterworth和Chebyshev等类型的滤波器；〔3〕ispPAC20_Biquad.EXE:产生适用于ispPAC20的双二阶滤波器；2、例如库观察在PAC-Designer中有一例如库，库中的各项设计电路可作为用户设计时的参考，很有实用价值。

翻开库的方法是：选菜单File->BrowseLibrary,即弹出一对话框“PACLibraryBrowser〞，对话框的左窗内是已设计好的各种例如，当用鼠标点中某一例如时，窗口右边即显示出该项设计例如的名称、功能、输入输出方式和电路参数。当按键“OpenFile〞时，即翻开了该项设计的电路原理图〔该电路可通过Download选项下载进相应的芯片中〕。三、ispPAC的增益调整方法1、通用增益设置〔1〕通常情况下，PACblock中单个输入仪用放大器的增益可在±１至±10的范围内按整数步长进行调整。〔2〕设计中如果无需使用输入仪用放大器IA２，那么可在图6-2的根底上加以改进，得到最大增益为±20的放大电路，如图6-3所示。〔3〕如果要得到增益大于±20的放大电路，可以将多个PACblock级联。图所示的是增益为４０的连接方法。图中使用中使用了两个PACblock。第一个PACblock的增益G1=VOUT1/BIN1＝４，第二个PACblock的增益G2=VOUT2/VOUT1=10。整个电路的增益G=VOUT2/VIN1=G1*G2=4*10=40。

如果将第二个PACblock中的输入放大器组成另法电路，那么可以用另一种方式构成增益为40的放大电路，如下图。〔4〕如果要得到非10倍数的整数增益，倒如增益G=47，可使用如下图的配置方法。2、分数增益的设置法〔1〕配适宜当的外接电阻，ispPAC器件可以提供任意的分数倍数增益的放大电路。例如，想得到一个5.7倍的放大电路，可按图6-7所示的电路设计。图中，通过外接两个50K和11.1K的电阻分压，得到输入电压：Vin2=11.1/(50+50+11.1)Vin=0.0999Vin≈Vin/10Vout1=5*Vin+VIN2=5*Vin+7*(Vin/10)=5.7Vin因此G=Vout1/Vin=5.7〔2〕整数比增益设置法输出放大器OA1的电阻反响回路必须开路。输入仪用放大器IA2的输入端接OA1的输出端OUT1，并且IA2的增益需设置为负值以保持整个电路的输入、输出同相。在整数比增益电路中，假定IA1的增益为GIA1，IA2的增益为GIA2，整个电路的增益为G=-GIA1/GIA2。在采用整数比增益电路时，假设发现有小的高频毛刺影响测量精度，这时需稍稍增大GF1的电容值。为方便读者查询，表6-1列出了所有的整数比增益值。四、ispPAC10的应用例1：简单增益设计

该例中，四个PAC块相互独立。PAC块1和PAC块2都只用一个仪用放大器分别实现3倍和9倍增益；PAC块3和PAC块4用两个仪用放大器叠加，分别实现20倍和15倍增益。IN1输入，OUT1输出。增益为3。IN2输入，OUT2输出。增益为9。IN3输入，OUT3输出。增益为15。IN4输入，OUT4输出。增益为20。例2：级联增益

在这个例子中，用两个PAC块实现较高增益。PAC块1和PAC块2级联实现47倍增益，PAC3和PAC4实现133倍增益。IN1输入，OUT2输出，增益为47。IN3输入，OUT4输出，增益为133。例3：分数增益

在这个例子中，PAC块1和PAC块2分别实现3/5和9/7倍增益，PAC块3和PAC块4级联实现7/24倍增益。IN1输入，OUT1输出。增益为3/5。IN2输入，OUT2输出。增益为9/7。IN3输入，OUT3输出。增益为24/7。例4四路加法器在这例子中,用三个PAC块实现四路加法器,可以实现Y=K6*〔K8*〔K3*S2+K4*S1〕+K7*S4〕+K5*S3，S1、S2、S3、S4为四路输入信号，Y为输出信号，K3、K4、K5、K6、K7、K8为各个仪用放大器的增益，这里都为1，所以可表示为Y=S1+S2+S3+S4。当OUT3作为输出时，