ispPAC开发培训-ispPAC培训教程

Page1上海莱迪思半导体有限公司市场部2000年2月Page2ispPAC培训教程第一节ispPAC简介第二节在系统可编程模拟电路的结构第三节ispPAC的接口电路第四节增益调整方法第五节滤波器设计第六节PACDesigner软件使用方法Page3第一节ispPAC简介1992年美国Lattice公司发明了在系统可编程技术(In-SystemProgrammability)，彻底改变了传统数字电子系统的设计和实现方法，开创了数字系统设计的里程碑。在21世纪来临的前夕，1999年11月，Lattice公司又推出了在系统可编程模拟电路(In-SystemProgrammabilityProgrammableAnalogCircuits)，翻开了模拟电路设计方法的新篇章。为电子设计自动化(EDA)技术的应用开拓了更广阔的前景。与数字的在系统可编程大规模集成电路(ispLSI)一样，在系统可编程模拟器件允许设计者使用开发软件在计算机中设计、修改模拟电路，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。在系统可编程器件可实现三种功能：(1)信号调理(2)信号处理(3)信号转换。信号调理主要是能够对信号进行放大、衰减、滤波。信号处理是指对信号进行求和、求差、积分运算。信号转换是指能把数字信号转换成模拟信号。目前已推出了两种器件:ispPAC10和ispPAC20。ispPAC的开发软件为PACDesigner，对计算机的软、硬件配置要求如下:(1)Windows95,98,NT(2)16MBRAM(3)10MB硬盘(4)PentiumCPU软件主要特征(1)设计输入方式原理图输入(2)模拟可观测电路的幅频和相频特性(3)支持的器件ispPAC10ispPAC20(4)内含用于低通滤波器设计的宏(5)能将设计直接下载Page4第二节在系统可编程模拟电路的结构在系统可编程模拟电路提供三种可编程性能。(1)可编程功能：具有对模拟信号进行放大、转换、滤波的功能。(2)可编程互联：能把器件中的多个功能块进行互联，能对电路进行重构，具有百分之百的电路布通率。(3)可编程特性：能调整电路的增益、带宽和阈值。可以对电路板上的ispPAC器件反复编程，编程次数可达10000次。把高集成度，精确的设计集于一片ispPAC器件中，取代了由许多独立标准器件所实现的电路功能。图2.1ispPAC10内部结构框图图2.2ispPAC10内部电路ispPAC10器件的结构由四个基本单元电路，模拟布线池，配置存储器，参考电压，自动校正单元和ISP接口所组成。器件用5V单电源PAC块PAC块配置存储器模拟布线池参考电压自校正PAC块PAC块Page5供电。基本单元电路称为PAC块(PACblock)，它由两个仪用放大器和一个输出放大器所组成，配以电阻、电容构成一个真正的差分输入，差分输出的基本单元电路，如图2.3所示。所谓真正的差分输入，差分输出是指每个仪用放大器有两个输入端，输出放大器的输出也有两个输出端。电路的输入阻抗为109，共模抑制比为69db，增益调整范围为－10至＋10。PAC块中电路的增益和特性都可以用可编程的方法来改变，采用一定的方法器件可配置成1至10000倍的各种增益。输出放大器中的电容CF有128种值可供选择。反馈电阻RF可以断开或连通。器件中的基本单元可以通过模拟布线池(AnalogRoutingPool)实现互联，以便实现各种电路的组合。图2.3ispPAC中的PAC块(PACblock)每个PAC块都可以独立地构成电路，也可以采用级联的方式构成电路以实现复杂的模拟电路功能。图2.4表示了两种不同的连接方法。图2.4(a)表示各个PAC块作为独立的电路工作，图2.4(b)为四个PAC块级联构成一个复杂的电路。利用基本单元电路的组合可进行放大、求和、积分、滤波。可以构成低通双二阶有源滤波器和梯型滤波器，且无需在器件外部连接电阻、电容元件。(a)(b)图2.4ispPAC10中不同的使用形式ispPAC20器件由两个基本单元电路PAC块、两个比较器、一个8位的D/A转换器、配置存储器、参考电压、自动校正单元和ISP接口所组成。其内部结构框图如图2.5所示。Page6图2.5ispPAC20内部框图图2.6ispPAC20内部电路DACPACell这是一个8位电压输出的DAC。接口方式可自由选择为：8位的并行方式；串行JTAG寻址方式；串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据总长度为8位，D0处于数据流的首位，D7为最末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与器件内部的比较器或仪用放大器相连，也可PAC块PAC块比较器比较器模拟布线池参考电压DAC自校正配置存储器Page7以直接输出。无论采用串行还是并行的方式，DAC的编码均为以下表格所示。表2.1DAC输出对应输入的编码多路输入控制ispPAC20中有两个PAC块，它的结构与ispPAC10基本相同。但增加了一个多路输入控制端。通过器件的外部引脚MSEL来控制。MSEL为0时，A连接至IA1；MSEL为1时，B连接至IA1。图2.7ispPAC20中的PAC块极性控制Page8前面已经谈到ispPAC10中放大器的增益调整范围为－10至＋10。而在ispPAC20中IA1，IA2，IA3，和IA4的增益调整范围为－10至－1。实际上，得到正的增益只要把差分输入的极性反向，即乘以－1就行了。通过外部引脚PC来控制IA4的增益极性。PC引脚为1时，增益调整范围为－10至－1；PC引脚为0时，增益调整范围为＋10至＋1。比较器在ispPAC20中有两个可编程，双差分比较器。比较器的基本工作原理与常规的比较器相同，当正的输入端电压相对与负的输入端为正时，比较器的输出为高电平，否则为低电平。比较器还有一些可选择的功能。Page9第三节PAC的接口电路模拟信号输入至ispPAC器件时，要根据输入信号的性质考虑是否需要设置外部接口电路。这主要分成三种情况。(1)若输入信号共模电压接近Vs/2，则信号可以直接与ispPAC的输入引脚相连。(2)倘若信号中未含有这样的直流偏置，那么需要有外部电路。如图3.1所示。图3.1直流偶合偏置(3)倘若是交流偶合，外加电路如图3.2所示。此电路构成了一个高通滤波器，其截止频率为1/(2RC)，电路给信号加了一个直流偏置。电路中的VREFout可以用两种方式给出。直接与器件的VREFout引脚相连时，电阻最小取值为200K；采用VREFout缓冲电路，电阻最小取值为600。Page10图3.2具有直流偏置的交流偶合输入VREFout缓冲电路VREFout输出为高阻抗，当用作为参考电压输出时，要进行缓冲。如图3.3所示。注意PAC块的输入不连接，反馈连接端要闭合。此时输出放大器的输出为VREFout或2.5V，这样每个输出成为VREFout电压源，但不能将两个输出端短路。图3.3PAC块用作VREFoutPage11第四节ispPAC的增益调整方法每片ispPAC10器件由四个集成可编程模拟宏单元(PACblock)组成的，图4.1所示的是PACblock的基本结构。图4.1PACblock结构示意图每个PACblock由一个差分输出的求和放大器(OA)和两个具有差分输入的、增益为±1至±10以整数步长可调的仪用放大器组成。输出求和放大器的反馈回路由一个电阻和一个电容并联组成。其中，电阻回路有一个可编程的开关控制其开断；电容回路中提供了120多个可编程电容值以便根据需要构成不同参数的有源滤波器电路。通用增益设置通常情况下，PACblock中单个输入仪用放大器的增益可在±1至±10的范围内按整数步长进行调整。如图4.2所示，将IA1的增益设置为4，则可得到输出VOUT1相对于输入VIN1为4的增益；将IA1的增益设置为－4，则可得到输出VOUT1相对于输入VIN1为－4的增益。图4.2增益为4的PACblock配置图设计中如果无需使用输入仪用放大器IA2，则可在图4.2的基础上加以改进，得到最大增益为±20的放大电路，如图4.3所示：Page12图4.3增益为20的PACblock配置图在图4.3中，输入放大器IA1、IA2的输入端直接接信号输入端IN1，构成加法电路，整个电路的增益OUT1/IN1为IA1和IA2各自增益的和。如果要得到增益大于±20的放大电路，可以将多个PACblock级联。图4.4所示的是增益为40的连接方法。图4.4增益为40的PACblock配置图图4.4中使用中使用了两个PACblock：IA1、IA2和OA1为第一个PACblock中的输入、输出放大器，IA3、IA4和OA2为第二个PACblock中的输入、输出放大器。第一个PACblock的输出端OUT1接IA3的输入端。这样，第一个PACblock的增益G1=VOUT1/VIN1=4，第二个PACblock的增益G2=VOUT2/VOUT1=10。整个电路的增益G=VOUT2/VIN1=G1*G2=4*10=40。Page13如果将第二个PACblock中的输入放大器组成加法电路，那么可以用另一种方式构成增益为40的放大电路，如图4.5所示。图4.5增益为40的另一种PACblock配置图如果要得到非10倍数的整数增益，例如增益G=47，可使用如图4.6所示的配置方法。图4.6增益为47的PACblock配置图Page14在图4.6中，IA3和IA4组成加法电路，因此有以下关系：VOUT1=4*VIN1VOUT2=10VOUT1+7IN1整个电路增益G=VOUT2/VIN1=47。分数增益的设置法除了各种整数倍增益外，配合适当的外接电阻，ispPAC器件可以提供任意的分数倍增益的放大电路。例如，想得到一个5.7倍的放大电路，可按图4.7所示的电路设计。图4.7增益为5.7的PACblock配置图图4.7中，通过外接两个50K和11.1K的电阻分压，得到输入电压：VIN2=11.1/(50+50+11.1)Vin=0.0999Vin≈Vin/10而Vout1=5*Vin+VIN2=5*Vin+7*(Vin/10)=5.7Vin因此G=Vout1/Vin=5.7整数比增益设置法运用整数比技术，ispPAC器件提供给用户一种无需外接电阻而获得某些整数比增益的电路，如增益为1/10,7/9等等。图4.8是整数比增益技术示意图。Page15图4.8整数比增益技术示意图在图4.8中，输出放大器OA1的电阻反馈回路必须开路。输入仪用放大器IA2的输入端接OA1的输出端OUT1，并且IA2的增益需设置为负值以保持整个电路的输入、输出同相。在整数比增益电路中，假定IA1的增益为GIA1，IA2的增益为GIA2，整个电路的增益为G=-GIA1/GIA2。若如图4.8中选取GIA1=7，GIA2=-10，整个电路增益为G=0.7。在采用整数比增益电路时，若发现有小的高频毛刺影响测量精度，这时需稍稍增大CF1的电容值。为方便读者查询，表4.1列出了所有的整数比增益值。表4.1IA2作为反馈单元的整数比增益Page16第五节滤波器设计在一个实际的电子系统中，它的输入信号往往受干扰等原因而含有一些不必要的成分，应当把它衰减到足够小的程度。在另一些场合，我们需要的信号和别的信号混在一起，应当设法把前者挑选出来。为了解决上述问题，可采用有源滤波器。这里主要叙述如何用在系统可编程模拟器件实现滤波器。通常用三个运算放大器可以实现双二阶型函数的电路。双二阶型函数能实现所有的滤波器函数，低通、高通、带通、带阻。双二阶函数的表达式如下，式中m=1或0，n=1或0。这种电路的灵敏度相当低，电路容易调整。另一个显著特点是只需要附加少量的元件就能实现各种滤波器函数。首先讨论低通函数的实现，低通滤波器的转移函数如下。上式又可写成如下形式最后一个等式的方框图为图5.1方框图inininlpVpssdVpssbVdVVbpssbpssdVVsT)()()(/)(0002202110210)/(