ispPAC10芯片及其应用
发布时间：2010-6-30 09:26
发布者：我芯依旧
关键词：
ispPAC10
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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。把高集成度的精确设计集于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 ispPAC10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。
芯片无需外围元件就可以灵活实现诸如精密滤波、求和／求差、增益／衰减和积分等基本模拟功能，每PAC块包括1个加法运算电路、2个差动放大器和系列反馈电容，这些电容和一些有固定值的反馈元组合可以产生120种可编程电路，频率范围在10～100kHz之间，分辨率为5％。管脚图如图2所示。不同增益输入使用放大器，使他可在土1～土10之间编程任何PAC模块。通过接合别的电路可产生更为复杂的信号处理功能以完成不同的电路功能。内部模拟电路原理图如图3所示。
ispPAC10构件中，输入与输出完全不同。和单端I/O比起来，他有有效的双动态范围。根据说明还可以产生和改善功能，如普通输入模式拒绝总音调失真。不同的峰一峰值电压由不同的输入、输出引脚末端的信号决定，例如：若V+=3V，V一＝1 V，则差压为+2 V。 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，可以看出绝对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 ·四运放增益／衰减 ·信号迭加(4个输入) ·高精度可调滤波器(10～100 kHz) ·无需任何外接元件 ·采用非易失性数字E2COMS结构单元 ·采用IEEE 1149．1JTAG接口编程 (2)4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<一70dB，F＝100kHz) ·自动调节输入偏置电压 (3)真实的差分I／O口 ．放大器输人口拥有更高的CMR(69dB) ．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 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。
电桥的主要功能是把微小的电压变化或其他原因引起的电桥稳定性变化表现出来，这个电压偏差可以是几个微伏到几千几万微伏，如果没有电桥的稳定性功能是很难解决这些出现在个别元器件上的偏差的。电桥上的微小电压变化可以通过ispPAC10进行放大，每一个PAC块都有土10的增益范围，使用4个PAC块就有10 000(80dB)的增益值。通过改变芯片的反馈电容大小改变增益的大小。 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，元件的总数保持在最少个数。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。ispPAC10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)。ispPAC10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(最大值为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。
4 结 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。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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