Программируемые аналоговые интегральные схемы (FPAA)

Схемы аналоговой обработки сигналов выполняются на дискретных компонентах – операционных усилителях, компараторах, мультиплексорах и т.п. При этом аналоговая часть схемы зачастую занимает большую часть площади печатной платы и требует сложной настройки. Решить проблему создания разнообразных аналоговых устройств, кардинально снизив стоимость и габариты, позволяет использование программируемых аналоговых интегральных схем ПАИС (FPAA).

Фирма Lattice Semiconductor разработала семейство FPAA микросхем ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit).

Заложенная в эту серию архитектура основывается на следующих базовых функциональных ячейках: инструментальный усилитель (IA), выходной усилитель (OA), реализованных по схеме сумматора/интегратора, 2,5-вольтовый источник опорного напряжения (Reference, ИОН), 8-разрядный ЦАП с выходом по напряжению, и сдвоенный компаратор (CP). Аналоговые входы и выходы ячеек (кроме ИОН) для повышения динамического диапазона обрабатываемых сигналов выполнены по дифференциальной схеме. Два IA и один OA образуют макроячейку, называемую PAC-блоком, в которой выходы IA соединены с суммирующими входами OA. ispPAC10 имеет четыре такие макроячейки, а ispPAC20 — две. В состав ispPAC20 также входят ячейки ЦАП и компараторов. В макроячейке программируются коэффициент усиления IA в диапазоне от -10 до +10 с шагом 1, величина емкости конденсатора обратной связи в OA (128 возможных значений) и включение/выключение сопротивления обратной связи в OA.

Существует два типа FPAA – динамически и статически конфигурируемые. Различие их заключается в том, что динамически конфигурируемая схема позволяет изменять функциональную структуру в реальном масштабе времени в работающем устройстве.

В основе FPAA лежат конфигурируемые аналоговые блоки (САВ), которые содержат наборы элементов для реализации аналоговых схем – операционные усилители, источники образцового напряжения, компараторы, ЦАП, конфигурационную память (LUT, Look-Up Table) и интерфейс.

Конфигурируемые двунаправленные ячейки (IO, Input/Output Cell) служат для подачи аналоговых сигналов на САВ. Каждый вход ячейки может непосредственно подключаться к одному из блоков или предварительно обрабатываться с помощью набора из стандартных элементов, входящих в состав этой ячейки: буферный усилитель, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, программируемый фильтр нижних частот, прецизионный усилитель.

Конфигурируемая мультиплексированная ячейка входа/выхода содержит на входе мультиплексор, который подключает один их четырех дифференциальных или несимметричных сигналов к ячейке IO.

Конфигурируемые выходные ячейки Output Cell позволяют выводить из FPAA как аналоговые сигналы, так и логические уровни. Сигналы из различных аналоговых блоков подаются на вход ячейки через программируемый мультиплексор. Каждая выходная ячейка содержит программируемый ФНЧ. Некоторые элементы из стандартной библиотеки требуют вывода сигналов в цифровой форме, например выходы данных и синхронизации АЦП. В этом случае выходные ячейки могут быть сконфигурированы в режиме цифрового выхода.

Конфигурируемый аналоговый блок (САВ) содержит статические и динамические ключи. Динамические ключи управляются входными и тактовыми сигналами и логикой регистра последовательного приближения. Статические ключи определяют общие схемы коммутации блоков, значения емкости конденсаторов, подключение входов. Независимо от назначения, все ключи управляются с помощью конфигурационной памяти (SRAM).

При включении питания данные из внешнего EPROM загружаются в теневое ОЗУ, а из него копируется в конфигурационное ОЗУ. Во время работы FPAA теневое ОЗУ может быть загружено новыми данными и микросхема начнет работать в новой конфигурации.

Таблица коэффициентов передачи (LUT) содержит информацию о передаточной функции и конфигурации каждого устройства. LUT загружается динамически и может изменить конфигурацию системы во время работы.

АЦП собирается из элементов, которые содержатся в САВ. По структуре это 8-разрядный АЦП последовательного приближения со скоростью преобразования до 250 кГц.

Формирователи опорного напряжения и тока смещения выполнены по схеме термокомпенсированных источников образцового напряжения и служат в качестве ИОН для компараторов, системного нуля и уровней ограничения входных сигналов.

Системные генераторы обеспечивают полную синхронность всех производных сигналов и основной тактовой частоты. В частности, это важно для усилителей со стабилизацией прерыванием и для логики регистра последовательного приближения АЦП.