1 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,到目前为止已推出了5种器件:ispPACl0,ispPAC20,ispPAC30,ispPAC80,ispPAC81。他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前景。与数字在系统可编程大规模集成电路(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,然后用编程电缆将设计方案到芯片中。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。把高集成度的设计集于1片ispPAC上,取代了很多标准分立元件或传统的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。其开发软件是基于Windows的PAC-Designer。 ispPAC芯片包含有PAC块,代替了传统的模拟器件,他可以是仪器放大器、求和放大器或其他功能单元,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 RoutingP001)互相连接,模拟布线区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E2COMS存储器,可重复使用10 000次,且编程时无需专用编程电源,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的状态,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。 2 ispPACl0的构成及工作原理 ispPACl0是Lattice公司在系统可编程模拟器件家族中的成员之一,其内部结构框图如图1所示,由4个可编程模拟宏单元(PAC块)组成,每个相当于1个运算放大器、电阻及电容的组合。
由于可以在不同的I/O引脚上存在不同的极性电压,因此也可以V+=1 V,V一=3 V,则差压为-2V。计算2个引脚末端的电压差,为︱+2一(一2)︱=4V,可以看出差压信号产生了有效的动态范围。虽然输入与运放相联,但没有改变内部线路,所以输入极性可编程且不影响输入的阻抗和动态性能。单端运放可以使用一个输入和(或)输出引脚来实现,跟据需要,调整增益,以达到需要输出的电子值。 ispPACl0工作时,由单一的+5V供电,包括内5产生的2.5V参考基准电压。参考电压可通过电压参考模式或VREFOUT引脚有效输出到外部,普通模式输出经常为2.5V,而与输入模式电平无关,需要时,可用一外部电压替代VREFOUT,但可选的普通模式输出电压VCM必须由用户通过CMVIN输入引脚提供,惟一的限制是参考电压必须介于1.25-3.25V之间,当用外部电压代替,并且PACl0必须被编程时,在每一个PAC模块的基础上,用外部参考源替代内部的2.5V。 ispPACl0总的性能特点归结如下: (1)在系统可编程模拟芯片 (2)4个线性模块 (3)真实的差分I/O口 (4)28引脚DIP及SOIC封装,单+5V电源供电 (5)完整的应用方案 3 实例介绍 下面将对ispPACl0在电桥网络中的应用进行研究。电桥基本上是由几个元器件组成的,在这几个元器件中,至少有一个的参数用于对外部环境的变化进行测量,这些外部环境包括:温度、压力、光强度等。图4是一个通过无源器件组成的典型电桥。
当分支器件被用在标准的四器件电桥时,所要求的输出电压结点为 'A'和 'B',因为ispPACl0的输入是差分方式,所以电路的联接将会非常的简单,元件的总数保持在少个数。为了使接口与电桥完全匹配,高阻抗的差分方式输入是必要的,ispPACl0的典型输入阴抗为109Ω。ispPACl0的输出也是采用差分方式,这样与其他的测量电路联接更简单,同时,在ispPACl0进行自动补偿校准后,输入输出的典型偏移量为200μV。ispPACl0的另一个优点就是他的在系统可编程能力,这就使他能够通过重新配置与不同类型的传感器相联接,所以,ispPACl0可以作为通用的工业级的测量。 当测量一个包含有噪声和失真的小信号时,会有热稳定和传感器中不同金属的热偶影响,解决的办法是补偿传感器因温度变化而产生的影响(在电桥中放置多个传感器)。ispPACl0可以实现与任何类型的电桥网络完成轻松对接,通过一个感应器与其他电阻结合,组成一个完整的电桥用来测量外部参数,ispPACl0输入的是差分信号,必须在以2.5V为中心的共模参考电压之内,也就是说,在电桥中用5V的电源供电,由于电桥的分压作用,使Vl和V2的电压在2.5V左右。 图5为一个典型的两感应器的电桥测量电路。R1与R4为感应器。这个配置可以用到不同类型的电桥中,并且应感应器的需要,他的增益可以调整(值为100),他的输出可以接到A/D转换器转换成数信号给后续电路进处理。
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。他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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