ispPAC10芯片及其应用

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。