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:
通過這些變形,圖3(a)的基本并聯(lián)支路單元就可轉換成圖3(c)中等效的SC模型,這樣,在其中就可以很好地使用編輯數控電流的指令來達到現場可編程的目的。
5 開關電容
數控開關之間主要的電路元器件是開關、運算放大器和電容。依靠不同的開關電容的狀態(tài),可實現不同功能的FPAA模塊功能。通常進行FPAA的設計是在不同的單元水平上(微模型或宏模型)。對于基于微模型下的FPAA,一個CAB一般包含一個運放、開關、電容功能陣列PCA(programmablecapacitorarrays)和數控電流單元。一些電路功能,如集成、綜合、采樣、保持和增益等,則可通過CAB中的運放、開關和PCA來實現?;贔PAA的大多數的SC在單元間都有它們的CAB模塊,在單元的行和列之間可布上一個水平走勢的雙線和另一個垂直走勢的雙線。其開關式樣如圖4(a)所示的設計圖中的表示,其四個端口分別接兩個CAB,圖4(b)為其具體的電路圖。
6 結語
目前,現場可編程模擬陣列FPAA(Field-Pro-grammableAnalogArray)和現場可編程混合陣列FPMA(Field-ProgrammableMixed-SignalArray)是模擬信號陣列器件和主流。其中FPAA現在所面臨的難題包括速度(特別是通過連接點)、精確度(器件的匹配性)、數字噪聲(時鐘反饋)、模擬噪聲(熱噪聲、1/F噪聲等)、功耗、資源分配(模擬塊的數量和大小)和能源的利用率等。