ispPAC簡介

自1992年美國LatTIce公司推出了系統(tǒng)可編程（In-System Programmabliity）技術(shù)，增加了一種與傳統(tǒng)數(shù)字電子系統(tǒng)不同的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法。在1999年底，Lattice公司又推出了系統(tǒng)內(nèi)可編程模擬電路，又開辟了一種模擬電路設(shè)計方法的新思維，為電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)開拓了更為廣闊的前景。

同數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)可編程大規(guī)模集成電路（ispLSI）一樣，它使設(shè)計者用開發(fā)軟件在計算機(jī)中設(shè)計、修改，并能進(jìn)行電路特性模擬，最后通過下載電纜將設(shè)計下載至芯片中。

系統(tǒng)內(nèi)可編程器件可以實(shí)現(xiàn)三種基本功能：（1）信號調(diào)整；（2）信號處理（3）信號轉(zhuǎn)換。信號調(diào)整主要是對信號進(jìn)行放大、衰減、濾波。信號處理是人才濟(jì)濟(jì)對信號進(jìn)行求和、求差、積分運(yùn)算。信號轉(zhuǎn)換是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。目前已推出了三種器件：ispPAC10、ispPAC20和ispPAC80。它的開發(fā)軟件為Lattice公司的PAC-Designer。

系統(tǒng)內(nèi)可編程模擬電路具有可模擬信號進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、濾波的功能，是通過器件內(nèi)的多個功能塊的互聯(lián)并能對電路進(jìn)行重構(gòu)以達(dá)到能調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值。編程次數(shù)可達(dá)1萬次。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路如圖1、2所示。

IspPAC10器件的結(jié)構(gòu)由四個基本單元電路（PAC）、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。器件用5V單電源供電?；締卧娐贩Q用5V單電源供電?；締卧娐贩Q為PAC塊（PAC block），它由兩個儀用放大器和一個輸出放大器所組成，配以電阻、電容構(gòu)成一個真正的差分輸入/差分輸出的基本單元電路，如圖2所示。所謂真正的差分輸入/差分輸出是指每個儀用放大器有兩個輸入端，輸出放大器的輸出也有兩個輸出端。電路的輸入阻抗為10 9，共模抑制比為69dB，增益調(diào)整范圍不-10～+10倍。PAC塊中電路的增益和特性都可以用可編程的方法來改變，器件可配置成1～1萬倍的各種增益。輸出放大器中的電容CF有128種值可供選擇。反饋電阻RF可以斷開或連通。器件中的基本單元可以通過模擬布線池（Analog Routing Pool）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)各 種電路的組合。

每個PAC塊都可以獨(dú)立地構(gòu)成電路，也可以采用級聯(lián)的方式構(gòu)成電路，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬電路功能。例如，各個PAC塊作為獨(dú)立的電路工作，圖4（b）為四個PAC塊級聯(lián)構(gòu)成一個復(fù)雜的電路。利用基本單元電路的組合可進(jìn)行放大、求二階有源濾波器和和梯型濾波器，且無需在器件外部連接電阻、電容元件。

濾波器的實(shí)現(xiàn)

在一個實(shí)際應(yīng)用的電路系統(tǒng)中，它的輸入信號往往受干擾等因素，會含有一些不必要的噪聲成分，應(yīng)當(dāng)把它衰減到足夠小的程度，從而達(dá)到把我們需要的信號從輸入信號源中分離出來。而為了解決上述問題，我們可以采用有源濾波器來實(shí)現(xiàn)。

下面介紹一下如何用在系統(tǒng)可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計方法。通常我們可以用三個運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)雙二階型函數(shù)的電路。雙二階型函數(shù)能實(shí)現(xiàn)各種濾波器函數(shù)，如低通、高通、帶通、帶阻等。雙二階函數(shù)T(s)的表達(dá)式如下，式中m=1或n=1或0：

由于這種電路的靈敏度相當(dāng)?shù)停噪娐啡菀渍{(diào)整，而且這種電路的另一個顯著特點(diǎn)是只需要附加少量的元件就能實(shí)現(xiàn)各種濾波器函數(shù)。這里我們以低通函數(shù)濾波器的實(shí)現(xiàn)為例，說明設(shè)計的整個過程。例如，低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)Tlp(s)如下：

整理后獲得：

取b=k1k2，式（3）可以改寫成如下形式：

其等效的方框圖如圖3：

從方框圖中的函數(shù)中不難看出，系統(tǒng)可以分別用反向器電路、積分電路、有損積分電路來實(shí)現(xiàn)。把各個運(yùn)算放大器電路代入圖3的方框圖中即可得到以下的實(shí)現(xiàn)電路，如圖4所示。

現(xiàn)在我們已不再需要利用電阻、電容、運(yùn)放搭電路，然后才調(diào)試電路?，F(xiàn)在完全可以利用系統(tǒng)內(nèi)可編程器件方便地實(shí)現(xiàn)此電路。ispPAC10就能夠?qū)崿F(xiàn)方框圖中的每一個功能塊，PAC塊可以對兩個信號進(jìn)行求和或求差，k為可編程增益，電路中把k11、k12、k22設(shè)置成+1，把k21設(shè)置成-1。因此一個三運(yùn)放的雙二階型函數(shù)電路可以用兩個PAC塊就能實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)軟件PAC-Designer中使用原理圖輸入方式，把兩個PAC塊連接起來，電路如圖5所示。

電路中的CF是反饋電容值，Re是輸入運(yùn)放的等待電阻，其值為250KΩ。兩個PAC塊的輸出分別為V01和V02。可以分別得到兩個表達(dá)式，即帶通函數(shù)表達(dá)式和低通函數(shù)表達(dá)式。

系統(tǒng)內(nèi)可編程模擬電路的開發(fā)軟件PAC-Designer中含有一個宏單元，專門用于濾波器的設(shè)計，根據(jù)我們的設(shè)計要求算出對反饋電容，電阻和電路增益等參數(shù)，然后在電路圖編程環(huán)境下進(jìn)行電路布線、修改其相應(yīng)的參數(shù)值，系統(tǒng)的設(shè)計工作就基本完成。為了檢驗(yàn)設(shè)計能否達(dá)到理想要求，開發(fā)軟件中還有一個模擬器仿真工具，用于濾波器的幅頻和相頻特性的仿真。如仿真的結(jié)果達(dá)到要求，則就可以通過下載電纜直接下載到ispPAC10器件中，整個設(shè)計工作完成。否則修改其參數(shù)，到仿真結(jié)果滿意為止。

結(jié)論

用ispPAC-Designer設(shè)計模擬濾波器極其方便，用一臺PC機(jī)就可以代替通常的示波器，掃頻儀和面包板，便工作效率得到很大提高，并且可以根據(jù)用戶的需要對系統(tǒng)作出調(diào)整而無須對PCB板作出任何改動，只須通過軟件在PC機(jī)中進(jìn)行重新設(shè)計和性能仿真，然后下載到芯片中即可。整個工作在數(shù)小時內(nèi)就能完成。