基于ispPAC10在增益設(shè)置方面的應(yīng)用

摘要：電路設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)放大、高速信號(hào)采集、大功率輸出等功能，必須采用模擬電路，但長(zhǎng)期以來(lái)模擬電路的設(shè)計(jì)一直存在著處理精度低，設(shè)計(jì)、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(jiǎn)稱ispPAC進(jìn)行了放大器的增益設(shè)計(jì)。它允許設(shè)計(jì)者使用EDA軟件在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)修改模擬電路，并進(jìn)行仿真，最后還可以通過(guò)編程電纜將設(shè)計(jì)方案下栽到芯片中去。通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件可以調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值等性能指標(biāo)。在此主要介紹了利用ispPAC10實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)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(diǎn)
    ispPAC10器件的結(jié)構(gòu)由四個(gè)相同的信號(hào)處理塊(PAC塊)，模擬布線池，配置存儲(chǔ)器，參考電壓，自動(dòng)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(cè)試引腳：23，24
    (電源電壓為5 V；電源引腳用一個(gè)10μF的鉭電容和一個(gè)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(gè)相同的基本單元電路。每個(gè)PACblock含有兩個(gè)獨(dú)立可編程的輸入放大器、一個(gè)差分輸出放大器、一個(gè)電阻反饋元件(可開(kāi)路)和一個(gè)可調(diào)的反饋電容器。PACblock的輸入端為兩對(duì)差分輸入，增益可在±1～±10以整數(shù)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)。輸出求和放大器的反饋回路由一個(gè)電阻和一個(gè)電容并聯(lián)組成。
    每個(gè)PACblock的輸入阻抗為109 Ω。輸入放大器可建模為一個(gè)可編程的增益模塊(K1和K2)和一個(gè)求和電阻器。輸入放大器提供的電流在一個(gè)運(yùn)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(gè)定值電阻元件并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容器(可調(diào)電容值為120個(gè)在1pF至62pF之間的值)。電阻反饋通路可以被禁用。運(yùn)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(gè)輸入放大器的增益可在±1～±10的范圍內(nèi)按整數(shù)步長(zhǎng)進(jìn)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(gè)。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(duì)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(gè)40．7的增益，可以由增益值為40開(kāi)始，從輸入到輸出增加一個(gè)0．7的額外增益。有兩種方法給一個(gè)ispPAC10設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)外部電阻器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為避免加載輸入，應(yīng)選用電阻值加起來(lái)≥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(kāi)路狀態(tài)，IA2輸入被連接到OA輸出時(shí)，IA1和IA2可以用來(lái)提供與它們?cè)鲆嬷党杀嚷实脑鲆婕碔A1／IA2。
    為了正確地實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)，IA2的增益必須設(shè)置成負(fù)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(méi)有找到，或者需要一個(gè)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(guò)改變電阻值來(lái)推導(dǎo)出一個(gè)小分?jǐn)?shù)輸入信號(hào)。如果需要一個(gè)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(jiàn)圖4)。用一個(gè)1．01 kΩ電阻器和兩個(gè)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(jí)。如圖4已經(jīng)被化簡(jiǎn)成主要顯示(Vin×0．27)增益區(qū)域。此種設(shè)計(jì)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(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益調(diào)整，無(wú)需使用一大堆的運(yùn)算放大器、電阻、電容等模擬器件，其設(shè)計(jì)過(guò)程就是利用開(kāi)發(fā)軟件PAC—Designer在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，原理圖設(shè)計(jì)完成后，可利用開(kāi)發(fā)軟件提供的仿真功能對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行增益仿真，然后下載到器件中，即完成設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便、直觀、快捷、準(zhǔn)確，且具有可反復(fù)編程、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期短、穩(wěn)定可靠、成本和功耗低等特點(diǎn)。