ispPAC簡(jiǎn)介
自1992年美國(guó)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(jì)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(kāi)辟了一種模擬電路設(shè)計(jì)方法的新思維,，為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)開(kāi)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(jì)者用開(kāi)發(fā)軟件在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì),、修改，并能進(jìn)行電路特性模擬,，最后通過(guò)下載電纜將設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)整；（2）信號(hào)處理（3）信號(hào)轉(zhuǎn)換,。信號(hào)調(diào)整主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,、衰減、濾波,。信號(hào)處理是人才濟(jì)濟(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和,、求差、積分運(yùn)算,。信號(hào)轉(zhuǎn)換是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。目前已推出了三種器件：ispPAC10,、ispPAC20和 ispPAC80,。它的開(kāi)發(fā)軟件為L(zhǎng)ATTICE公司的PAC-Designer。
系統(tǒng)內(nèi)可編程模擬電路具有可模擬信號(hào)進(jìn)行放大,、轉(zhuǎn)換,、濾波的功能，是通過(guò)器件內(nèi)的多個(gè)功能塊的互聯(lián)并能對(duì)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(wàn)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(gè)基本單元電路（PAC）、模擬布線池,、配置存儲(chǔ)器,、參考電壓，自動(dòng)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(chēng)用5V單電源供電?；締卧娐贩Q(chēng)為PAC塊（PAC block）,，它由兩個(gè)儀用放大器和一個(gè)輸出放大器所組成，配以電阻,、電容構(gòu)成一個(gè)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(gè)儀用放大器有兩個(gè)輸入端,，輸出放大器的輸出也有兩個(gè)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(lái)改變，器件可配置成1～1萬(wàn)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(kāi)或連通。器件中的基本單元可以通過(guò)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(gè)PAC塊都可以獨(dú)立地構(gòu)成電路，也可以采用級(jí)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(gè)PAC塊作為獨(dú)立的電路工作,，圖 4（b）為四個(gè)PAC塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)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(wú)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(gè)實(shí)際應(yīng)用的電路系統(tǒng)中,，它的輸入信號(hào)往往受干擾等因素,，會(huì)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(hào)從輸入信號(hào)源中分離出來(lái),。而為了解決上述問(wèn)題，我們可以采用有源濾波器來(lái)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(jì)方法,。通常我們可以用三個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)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(gè)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(shuō)明設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)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(xiě)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(lái)實(shí)現(xiàn),。把各個(gè)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(gè)功能塊，PAC塊可以對(duì)兩個(gè)信號(hào)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(gè)三運(yùn)放的雙二階型函數(shù)電路可以用兩個(gè)PAC塊就能實(shí)現(xiàn),。在開(kāi)發(fā)軟件PAC-Designer中使用原理圖輸入方式，把兩個(gè)PAC塊連接起來(lái),，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(gè)PAC塊的輸出分別為V01和V02,。可以分別得到兩個(gè)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(kāi)發(fā)軟件PAC-Designer中含有一個(gè)宏單元，專(zhuān)門(mén)用于濾波器的設(shè)計(jì),，根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求算出對(duì)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(jì)工作就基本完成。為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)能否達(dá)到理想要求,，開(kāi)發(fā)軟件中還有一個(gè)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(guò)下載電纜直接下載到ispPAC10器件中,，整個(gè)設(shè)計(jì)工作完成。否則修改其參數(shù),，到仿真結(jié)果滿(mǎn)意為止,。
結(jié)論
用ispPAC-Designer設(shè)計(jì)模擬濾波器極其方便，用一臺(tái)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(hù)的需要對(duì)系統(tǒng)作出調(diào)整而無(wú)須對(duì)PCB板作出任何改動(dòng),，只須通過(guò)軟件在PC機(jī)中進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和性能仿真,，然后下載到芯片中即可。整個(gè)工作在數(shù)小時(shí)內(nèi)就能完成,。