基于ispPAC10在增益設(shè)置方面的應(yīng)用

摘要：電路設(shè)計中要實現(xiàn)對微弱信號放大、高速信號采集、大功率輸出等功能，必須采用模擬電路，但長期以來模擬電路的設(shè)計一直存在著處理精度低，設(shè)計、調(diào)試難度大等缺陷?；诖死肔attice公司推出的在系統(tǒng)可編程模擬電路簡稱ispPAC進行了放大器的增益設(shè)計。它允許設(shè)計者使用EDA軟件在計算機上設(shè)計修改模擬電路，并進行仿真，最后還可以通過編程電纜將設(shè)計方案下栽到芯片中去。通過開發(fā)軟件可以調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值等性能指標。在此主要介紹了利用ispPAC10實現(xiàn)模擬信號的增益調(diào)整方面的幾種技術(shù)。
關(guān)鍵詞：增益；可編程模擬器件；ispPAC10

1 ispPAC10的結(jié)構(gòu)與原理
1．1 ispPAC10的結(jié)構(gòu)特點
    ispPAC10器件的結(jié)構(gòu)由四個相同的信號處理塊(PAC塊)，模擬布線池，配置存儲器，參考電壓，自動校正單元和ISP接口所組成，如圖1。

    ispPAC10引腳如圖2。
    其封裝形式是：
    28引腳的DIP或SOIC封裝。
    引腳功能如下：
    輸入：3，4，11，12，17，18，25，26
    輸出：1，2，13，14，15，16，27，28
    數(shù)字L／O：5，6，8，9，10，20
    電源引腳：7，21
    CMVIN引腳：19
    測試引腳：23，24
    (電源電壓為5 V；電源引腳用一個10μF的鉭電容和一個1μF的陶瓷電容旁路到地上可獲取最佳性能)。
1．2 ispPAC10的工作原理
    ispPAC10器件有4個相同的基本單元電路。每個PACblock含有兩個獨立可編程的輸入放大器、一個差分輸出放大器、一個電阻反饋元件(可開路)和一個可調(diào)的反饋電容器。PACblock的輸入端為兩對差分輸入，增益可在±1～±10以整數(shù)步長調(diào)節(jié)。輸出求和放大器的反饋回路由一個電阻和一個電容并聯(lián)組成。
    每個PACblock的輸入阻抗為109 Ω。輸入放大器可建模為一個可編程的增益模塊(K1和K2)和一個求和電阻器。輸入放大器提供的電流在一個運算放大器的反相輸入端被累加。輸出放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)可建模為一個定值電阻元件并聯(lián)一個可調(diào)電容器(可調(diào)電容值為120個在1pF至62pF之間的值)。電阻反饋通路可以被禁用。運算放大器的輸出為差分電壓。

2 iSpPAC10功能及應(yīng)用
2．1 整數(shù)增益的設(shè)置
2．1．1 增益值為4的PACblock配置
    通常情況下，PACblock中單個輸入放大器的增益可在±1～±10的范圍內(nèi)按整數(shù)步長進行調(diào)整。IA1和IA2是求和的關(guān)系，如果所求的增益在±10之間，那就只需用其中一個。如圖3所示，將IA1的增益設(shè)置為4，則可得到輸出電壓VOUT1相對于輸入電壓VIN1為4的增益。

2．2 小數(shù)增益的設(shè)置
2．2．1 精度為0．1的增益設(shè)置
    為設(shè)置一個40．7的增益，可以由增益值為40開始，從輸入到輸出增加一個0．7的額外增益。有兩種方法給一個ispPAC10設(shè)計增加0．7的增益。
2．2．1．1 外部電阻分壓增益設(shè)置法
    該方法是由輸入除以10，也就是(0．1 x Vin)。然后在另一個PACblock中把該電壓放大7倍，結(jié)果為(0．7×Vin)。
    為了讓Vin除以10，需添加一個外部電阻器網(wǎng)絡(luò)，同時為避免加載輸入，應(yīng)選用電阻值加起來≥100 kΩ的電阻器。
2．2．1．2 整數(shù)比率增益技術(shù)設(shè)置法
    該方法是：當(dāng)反饋元件OA為開路狀態(tài)，IA2輸入被連接到OA輸出時，IA1和IA2可以用來提供與它們增益值成比率的增益即IA1／IA2。
    為了正確地實現(xiàn)這種技術(shù)，IA2的增益必須設(shè)置成負數(shù)。為獲取0．7的增益，需設(shè)置IA1為7，IA2為-10。表1列出了所有增益列表。采用這種技術(shù)不必使用外部電阻分壓器，維持了輸入阻抗1×109Ω。

2．2．2 精度為0．01的增益設(shè)置
    如果需要小于1的增益，而在表1里沒有找到，或者需要一個小于0．1的增益，就必須采用外部電阻分壓增益設(shè)置法，并通過改變電阻值來推導(dǎo)出一個小分數(shù)輸入信號。如果需要一個40．27的增益，采用電阻分壓器的方法推導(dǎo)出除以100的輸入(見圖4)。用一個1．01 kΩ電阻器和兩個50 kΩ電阻器得到精度為0．01的數(shù)值(Vin×0．01)，并乘以27得到(0．27×Vin)，然后把產(chǎn)生的電壓加到增益為40的分級。如圖4已經(jīng)被化簡成主要顯示(Vin×0．27)增益區(qū)域。此種設(shè)計方案的增益精度依賴于電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的精度。

4 結(jié)論
    系統(tǒng)可編程模擬電路ispPAC能夠在單個芯片上實現(xiàn)信號的增益調(diào)整，無需使用一大堆的運算放大器、電阻、電容等模擬器件，其設(shè)計過程就是利用開發(fā)軟件PAC—Designer在計算機上進行電路原理圖設(shè)計，原理圖設(shè)計完成后，可利用開發(fā)軟件提供的仿真功能對所設(shè)計的電路進行增益仿真，然后下載到器件中，即完成設(shè)計。整個設(shè)計過程簡便、直觀、快捷、準確，且具有可反復(fù)編程、開發(fā)設(shè)計周期短、穩(wěn)定可靠、成本和功耗低等特點。