基于開關電容技術的新型FPAA構造體系

引言

盡管數字電路占領了大部分VLSI市場,但在現代電子系統(tǒng)中，模擬IC仍占有重要角色，如在模擬信號處理，工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學測量等場合中模擬IC依然必不可少口〕。由于模擬IC有其獨特的特點，從而推動了現場可編程模擬集成電路芯片的發(fā)展。假如在一個數字電路設計者的工具中沒有可編程邏輯陣列FPGA(FieldProgrammableGateArray)，那么他設計的艱難度將是不可想象的，然而，可編程模擬陣列FPAA對于模擬集成電路設計者依然是個夢想刀。FPAA提出已將近十年，但是，直到今天，在模擬集成電路中仍然沒有對等于FPGA的系統(tǒng)設計流程提出。本文正是基于上述理由，提出了基于開關電容的FPAA設計方案。

1 FPAA的基本組成

FPAA現場可編程模擬陣列，最早由LEE和GILAK提出，與FPGA相對應。FPGA是一種可編程邏輯陣列，陣列內部由邏輯塊組成，邏輯塊之間互連的是布線結構，包括線段和編程開關。芯片內部硬件連接關系的描述可存放在ROM、PROM、EPROM中，故在外部電路不變的情況下，換一塊EPROM即可實現新的功能與FPGA類似，該方法也被FPAA采用，FPAA也由模擬陣列組成，它包括可構造模擬塊和互連網絡，電路連接及參數等數據一般存貯在寄存器或存貯器中。

FPAA設計中常用的技術有開關電容技術、跨導技術、電流模技術，本文就其中的開關電容技術提出一種新型FPAA設計方案。對于開關電容的FPAA,每個可編程模擬單元包括一個運算放大器，一個可編程電容陣列和一系列的CMOS傳輸開關，全局連線有水平和垂直兩個通道，在交叉處有一開關陣列以實現交叉連接。開關可由陣列內部的信號動態(tài)控制，可用以實現開關電容全波整流等電路。

FPAA統(tǒng)一由執(zhí)行不同功能的CAB構成,每一個CAB包含有兩個背靠背連接的倒向器、放大器和開關電容，在CAB之間相連的是處于開態(tài)或關態(tài)的電容。這些CAB的內在結構和不同CAB之間通過使用數字控制信號形成了含一定功能的模塊，從而使整個FPAA具有一定的功能。如果想改變FPAA的功能,只需更換其中的CAB或重新編程即可。

2 FPAA的全局設計方案

圖1所示是基于開關電容的FPAA全局結構。該FPAA包括電路保真、CAB、輸入端、連線和數控電流等幾個基本部分，實際設計時可跟據應用行業(yè)的不同，再加一些功能塊以生成更復雜的電路,從而滿足不同的應用。

圖1中節(jié)點網絡之間的連接類似于CAB內部的控制。當控制電流驅動時鐘到達先前設定的相位時，根據已定義好的指令開啟或閉合電容時，一個電路的節(jié)點也就形成了，而電流相位未達到設定值則不能形成節(jié)點。由于這些開關是由開關電容控制的，所以在節(jié)點網絡中，不需要像以前文獻中指出的那樣使用額外開關。

根據圖1的整體布局思想構造的一個FPAA,它由20個運算放大器排成4X5的陣列，周圍有13個可編程I/O接口，可靈活滿足外部信號的端口需要。

3 FPAA結構中的數控電流

FPAA全局圖中的數控電路包括控制邏輯和數據處理部分?？刂七壿嬍褂盟惴顟B(tài)機ASM(TheAlgorithmicState)的計算機逼近方法?？刂七壿嫲ㄒ粋€數據處理子系統(tǒng),它根據先前定義在處理器中的邏輯功能，對數據進行處理并產生控制信號，處理的次序和數據處理器任務的分配作為一個硬件運算法則如圖2所示。

數據處理器的控制命令可從PC機上下載或從EPROM中調用，它包括三個寄存器和一個計數器。開關電容信息可根據使用者事先定義的控制命令進行編譯，生成的控制信號送往FPAA結構中相應的部分。每一步的算法如ASM圖表中所示，這些步驟由邏輯控制，主要包括三個部分:MUX、D觸發(fā)器和譯碼器(1:4),可提供準確的結構位置。

4 FPAA內部的CAB

設計CAB單元時，可在電路中運用原型電路，雙倍靜止LC梯形單元等。其連續(xù)時間單元可通過一個S函數變換做近似變形，然后在Z函數變換中使用雙線性來替代，這樣，這個Z函數變換就可產生精確的CAB設計方案。

本文將以LC電路為例來講解這個變換，以便在FPAA中實現可控開關電容的編程。其具體變換如下：