摘要:介绍了ispPAC芯片系列的特点、结构及用途,重点介绍ispPAC10、ispPAC20两种芯片的工作原理及应用电路。如ispPAC10构成的滤波器电路和ispPAC20构成的电压过压监视电路,并说明了电路的工作原理。文章最后指出了电子电路设计的发展方向。
关键词:可编程模拟器件;ispPAC;PAC-Designer软件;滤波器;电压监视;EDA工具;发展方向
中国分类号:TN47 文献标识码:A 文章编号:1006-883X(2003)04-0009-06
一、概 述
在系统可编程模拟器件ispPAC(in-system Programmable Analog Circuit)是美国Lattice半导体公司于1999年底推出的系列产品,到目前为止共推出了六种产品:ispPAC10、 ispPAC20、 ispPAC30、 ispPAC80 、ispPAC81、ispPAC-Power1208。它的问世翻开了模拟电路设计的新篇章,为EDA技术的应用开辟了更广阔的应用前景。
与数字在系统可编程大规模集及超规模集成电路(ispLSI、 ispVLSI等)一样,ispPAC同样具有在系统可编程技术的优势和特点。设计者可通过基于Windows的PAC-Designer开发软件在计算机上快速、方便地进行模拟电路设计、修改,对电路的特性进行仿真,然后将设计方案下载到芯片中。同时还可以对已装配在印制板上的ispPAC进行校验、修改或重新设计。ispPAC把高集成度的精确设计集于一体,取代了传统的分立元件或ASIC所能实现的功能。具有开发速度快、成本低、可靠性高、保密性强等特点。
ispPAC芯片包含有可编程模拟宏单元(PAC模块),它可以是仪器放大器、求和放大器或其它功能单元,主要承担模拟信号的处理任务。PAC块的输入、输出通过模拟布线区ARP(Analog Routing Pool)互相连接,ARP在器件管脚和PAC块的输入、输出间提供了一个可编程的模拟线路网络,无需外部连接就可将PAC块级联使用。芯片中还包含有配置存储器,是电擦除的E2CMOS存储器,可重复使用10000次,且编程时无需专用编程电源,它以数据形式存储PAC块中选择的增益、反馈电容值、与反馈电阻串联的开关状态、PAC块的输入、输出之间的连接和管脚之间的连接等信息。除此之外,ispPAC中还包含有参考电压、自校正电路以及isp接口等电路。
目前,在系统可编程模拟器件系列己成功地应用于音响设备、医疗设备、测试设备、计算机外围设备以及数据采集系统、监控系统和机器人、工厂自动化等诸多领域。其中ispPAC10适于信号的调理和滤波,ispPAC20适于信号的转换和监视,ispPAC30适合于做通用的模拟前段,ispPAC80与ispPAC81可以方便地实现多种类型的5阶滤波器电路。ispPAC-POWR1208 器件综合了Lattice公司领先业界的ispPAC 和 CPLD 工艺,其可编程的模拟输入能为多个供电节点(最多达 12 处)提供精确的同步监控,与此同时在CPLD芯片上又能产生最有效的控制信号,它可用于电源定序和监督等方面。以下我们将介绍ispPAC10与ispPAC20两种芯片的原理与用途。
二、ispPAC10器件
1、ispPAC10结构特点和工作原理
ispPAC10内部结构框图如图1所示,它由4个可编程模拟宏单元PAC块组成,每个PAC块包括一个加法运算电路、两个差动放大器和一系列反馈电容,通过和一些固定的反馈元件的组合可以产生120种可编程电路,如精密滤波器电路、求和/求差电路、增益/衰减和积分电路等,频率范围为10kHz~100kHz,分辨率为5%,增益可通过编程在±1至±10之间设置。还可通过结合其它电路产生更为复杂的信号处理功能电路,以满足不同的功能要求。
ispPAC10采用单一的+5V供电,内部的2.5V参考基准电压也由它产生。参考电压可通过电压参考模式或VREFOUT引脚有效地输出到外部,普通模式输出为2.5V,且与输入模式电平无关。需要时还可用一外部电压替代VREFOUT,但普通模式输出电压VCM必须由用户通过CMVIN输入引脚提供,参考电压只能限制在1.25V到3.25V之间。当采用外部电压供电并且ispPAC10必须被编程时,要用一外部参考源替代内部的2.5V电压。
2、ispPAC10性能特点:
(1). 在系统可编程模拟芯片
四运放增益/衰减
信号迭加(4个输入)
高精度可调滤波器(10kHz~100kHz)
无需任何外接元件
采用非易失性数字E2CMOS结构单元
采用IEEE 1149.1JTAG接口编程
(2). 内部包含四个线性模块
可编程的增益范围(0~80dB)
带宽为550kHz(G=1),330kHz(G=10)
低失真率(THD<-70 dB,f=100kHz)
自动调节输入偏置电压
(3). 差分结构的I/O口
放大器输入口拥有更高的共模拟制比:CMR(69 dB)
芯片内部2.5V的参考基准电压
RAIL-TO-RAIL电压输出
(4). 28引脚DIP及SOIC封装,单+5V电源供电
(5). 完整的应用方案
12位A/D、D/A的前后级通道
单5V电源信号调节
传感器信号调节
可变滤波器、增益调节、信号迭加模块
3、ispPAC10应用实例 下面介绍一种用PAC-Designer软件设计的一个连续时间的四阶低通Chebyshev(塞贝谢夫)滤波器电路,它的起始频率为100Hz,截止频率为2MHz。电路如图2所示,仿真曲线见图3。
三、 ispPAC20器件
1、ispPAC20结构特点
ispPAC20主要用于信号监测和处理电路,芯片采用非易失性E2CMOS存储器技术,对电路的布局、增益和反馈电容进行配置。它包含有两个PAC块、两个比较器CP、一个数模转换器以及模拟布线区、配置存储器、参考电压、自校正、isp接口等电路。内部结构框图如图4所示,内部电路结构如图5所示。
2、ispPAC20性能特点:
(1). 系统可编程模拟器件
2个仪器级增益/衰减可调运算放大器
信号叠加(3输入)
高精度可调滤波器(10kHz~100kHz)
8位DAC及快速的双重比较器
采用非易性数字E2CMOS结构单(10,000cycles)
采用IEEE1149.1 JTAG接口编程
(2). 线性单元模块
可编程的增益范围(0~40dB)
带宽为550kHz(G=1),330kHz(G=10)
低失真率(THD<-74 dB,f=10kHz〉)
自动调整输入偏置电压
(3) I/O口具有差分功能
放大器输入口拥有更高的共模抑制比:CMR(69 dB)
芯片内置2.5V的参考基准电压
RAIL-TO-RAIL电压输出
单5V电源供电
(4) 44脚标准PLCC封装
(5) 完整的应用方案
单+5V电源信号调节
可变滤波器、增益调节、信号迭加模块
12位A/D、D/A的前后级通道
高精度电源控制振荡器
同步检测电路
高精度检测及其它非线性功能
3、工作原理
(1). DAC
8位完全差分电压输出,可与器件内部的比较器和仪器放大器连接,也可直接输出,接口方式可由用户选择,有8位的并行方式、串行JTAG寻址方式、串行SPI寻址方式。
(2).比较器
ispPAC20内含两个可编程双差分输入比较器,工作原理与常规的比较器一样。当同相输入端电压高于反相输入端时,比较器输出高电平;否则,输出低电平。与常规比较器不同的是,该比较器的每个输入端都采用差分输入方式,有Vin+与Vin-端,输入端电压定义为Vin+-Vin-。比较器是对两个差分电压进行比较。比较器的输入可以是外部信号,也可以是器件内部的信号。
(3).PAC块
如图5所示, ispPAC块中有两个PAC块,第一个PAC块的IA1前有一个受芯片MSEL管脚控制的多路选择器。当MSEL为低电平时,a端与IA1相连;当MSEL为高电平时,b端与IA1接通。器件出厂时,MSEL在内部接地,默认为低电平。
第二个PAC块的IA4前有一个极性控制电路,IA4的极性控制方式可由设计者通过编程设定,包括固定方式、PC管脚方式、RS触发器方式和CP1输出控制方式。若电路设置为PC管脚控制方式,当PC管脚接高电平时,输入信号直接送给IA4;当PC管脚接低电平时,输入信号改变极性后送给IA4。IA4的增益与其它的仪器放大器的增益设置不同,其它的仪器放大器的增益可以设置为±1~±10之间的整数,而IA4的增益只能设置为-1~-10之间的整数。但配合极性控制,仍可得到正的增益。如IA4的增益设置为-7,令PC为低电平,改变输入信号的极性,这时IA4的等效增益相当于-7乘以-1,等于7。
在IA4前增加的具有极性控制功能的电路是为了某些特殊应用,改进后的这个电路还具有增大回转速率的功能。
4、实例介绍
下面介绍一种利用ispPAC20设计的过压监视电路。将一个待测电压信号接在ispPAC20的一个输入脚上,并且把PAC模块放大器的输出接到比较器的输入上就成为典型的监视器。当产生过压时,比较器能输出相应的控制信号。另外,发生故障时,它也能用外部逻辑来登记。为了增加DAC响应的灵敏度,把信号引入PAC块组成的滤波器进行滤波(或者利用高阻抗率的仪器检测放大器作为输入)。(注意:因ispPAC20作为电压监视,CP1的输出寄存器应被设置为“Direct”模式,而不是“Clocked”模式)。图6电路监视的电压为+5V,供电电压指定为5V±5%,所以实际的电压范围是5.25V~4.75V。为了让它可靠地工作,+5V信号必须依靠电阻器减少到2.50V附近,改变DAC输出可决定指定的衰减信号的变化量,但是当它被设置为2.50V时,仍可达到最大的极限值。表1、表2提供了监视值与元器件参数之间的关系。
表1 VIN=5V(R1=R2=2.49kΩ)
过压 0.250V 0.500V 1.000V PAC增益 10 5 1 DAC 设置 B6h B6h 96h VIN 触发阈值 5.253V 5.506V 6.032V
表2 R2=2.49 kΩ(图中频率值指VIN的频率值)
VIN 5V 12V 15V R1 2.49 kΩ 9.53 kΩ 12.4 kΩ 实际电压 2.5V 2.486V 2.508V 所需电阻R1之值 1.250kΩ 1.974kΩ 2.080kΩ C1=0.1µF 1.27kHz 806Hz 756Hz C1=1.0µF 127Hz 80.6Hz 76.5Hz C1=10.0µF 12.7Hz 8.06Hz 7.56Hz
四、结束语 在系统可编程器件以及与之配套的EDA工具的出现,改变了传统的设计思想,出现了全新的概念,是电路设计者的一个新的研究及应用领域。它大大地提高了电子电路的设计效率,是电子工作者学习的必修课,未来的电子设计人员必须掌握这门知识。
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