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ispPAC10芯片及其應用

發布時間:2010-6-30 09:26    發布者:我芯依舊
關鍵詞: ispPAC10
1 概 述

在系統可編程模擬器件ispPAC (in - system Programmable Analog Circuit)是美國Lattice半導體公司于1999年底推出的,到目前為止已推出了5種器件:ispPACl0,ispPAC20,ispPAC30,ispPAC80,ispPAC81。他的問世翻開了模擬電路設計的新篇章,為EDA技術的應用開辟了更廣闊的前景。與數字在系統可編程大規模集成電路(ispLSI,ispVLSI等)一樣,ispPAC同樣具有在系統可編程技術的優勢和特點。設計者可通過開發軟件在計算機上快速、方便地進行模擬電路設計、修改,對電路的特性進行仿真,然后用編程電纜將設計方案下載到芯片中。同時還可以對已裝配在印制板上的ispPAC進行校驗、修改或重新設計。把高集成度的精確設計集于1片ispPAC上,取代了很多標準分立元件或傳統的ASIC所能實現的功能。具有開發速度快、成本低、可靠性高、保密性強等特點。其開發軟件是基于Windows的PAC-Designer。 ispPAC芯片包含有PAC塊,代替了傳統的模擬器件,他可以是儀器放大器、求和放大器或其他功能單元,主要承擔模擬信號的處理任務。PAC塊的輸入、輸出通過模擬布線區ARP(Analog RoutingP001)互相連接,模擬布線區ARP在器件管腳和PAC塊的輸入、輸出間提供了一個可編程的模擬線路網絡,無需外部連接就可將PAC塊級聯使用。芯片中還包含有配置存儲器,是電擦除的E2COMS存儲器,可重復使用10 000次,且編程時無需專用編程電源,以數據形式存儲PAC塊中選擇的增益,反饋電容值,與反饋電阻串聯的開關的狀態,PAC塊的輸入、輸出之間的連接和管腳之間的連接等信息。除此之外,ispPAC中還包含有參考電壓、自校正電路以及isp接口等電路。

2 ispPAC10的構成及工作原理

ispPACl0是Lattice公司在系統可編程模擬器件家族中的成員之一,其內部結構框圖如圖1所示,由4個可編程模擬宏單元(PAC塊)組成,每個相當于1個運算放大器、電阻及電容的組合。


芯片無需外圍元件就可以靈活實現諸如精密濾波、求和/求差、增益/衰減和積分等基本模擬功能,每PAC塊包括1個加法運算電路、2個差動放大器和系列反饋電容,這些電容和一些有固定值的反饋元組合可以產生120種可編程電路,頻率范圍在10~100kHz之間,分辨率為5%。管腳圖如圖2所示。不同增益輸入使用放大器,使他可在土1~土10之間編程任何PAC模塊。通過接合別的電路可產生更為復雜的信號處理功能以完成不同的電路功能。內部模擬電路原理圖如圖3所示。


ispPAC10構件中,輸入與輸出完全不同。和單端I/O比起來,他有有效的雙動態范圍。根據說明還可以產生和改善功能,如普通輸入模式拒絕總音調失真。不同的峰一峰值電壓由不同的輸入、輸出引腳末端的信號決定,例如:若V+=3V,V一=1 V,則差壓為+2 V。

由于可以在不同的I/O引腳上存在不同的極性電壓,因此也可以V+=1 V,V一=3 V,則差壓為-2V。計算2個引腳末端的電壓差,為︱+2一(一2)︱=4V,可以看出絕對差壓信號產生了有效的動態范圍。雖然輸入與運放相聯,但沒有改變內部線路,所以輸入極性可編程且不影響輸入的阻抗和動態性能。單端運放可以使用一個輸入和(或)輸出引腳來實現,跟據需要,調整增益,以達到需要輸出的電子值。

ispPACl0工作時,由單一的+5V供電,包括內5產生的2.5V參考基準電壓。參考電壓可通過電壓參考模式或VREFOUT引腳有效輸出到外部,普通模式輸出經常為2.5V,而與輸入模式電平無關,需要時,可用一外部電壓替代VREFOUT,但可選的普通模式輸出電壓VCM必須由用戶通過CMVIN輸入引腳提供,惟一的限制是參考電壓必須介于1.25-3.25V之間,當用外部電壓代替,并且PACl0必須被編程時,在每一個PAC模塊的基礎上,用外部參考源替代內部的2.5V。

ispPACl0總的性能特點歸結如下:

(1)在系統可編程模擬芯片

·四運放增益/衰減
·信號迭加(4個輸入)
·高精度可調濾波器(10~100 kHz)
·無需任何外接元件
·采用非易失性數字E2COMS結構單元
·采用IEEE 1149.1JTAG接口編程

(2)4個線性模塊

·可編程的增益范圍(0-80dB)
·帶寬為550kHz(G=1),330kHz(G=10)
·低失真率(THD<一70dB,F=100kHz)
·自動調節輸入偏置電壓

(3)真實的差分I/O口

.放大器輸人口擁有更高的CMR(69dB)
.芯片內部2.5V的參考基準電壓
.RAIL-TO-RAIL電壓輸出

(4)28引腳DIP及SOIC封裝,單+5V電源供電

(5)完整的應用方案

.12位A/D,D/A的前后級通道
·單5V電源信號調節
·傳感器信號調節
·可變濾波器、增益調節、信號迭加模塊

3 實例介紹

下面將對ispPACl0在電橋網絡中的應用進行研究。電橋基本上是由幾個元器件組成的,在這幾個元器件中,至少有一個的參數用于對外部環境的變化進行測量,這些外部環境包括:溫度、壓力、光強度等。圖4是一個通過無源器件組成的典型電橋。


電橋的主要功能是把微小的電壓變化或其他原因引起的電橋穩定性變化表現出來,這個電壓偏差可以是幾個微伏到幾千幾萬微伏,如果沒有電橋的穩定性功能是很難解決這些出現在個別元器件上的偏差的。電橋上的微小電壓變化可以通過ispPAC10進行放大,每一個PAC塊都有土10的增益范圍,使用4個PAC塊就有10 000(80dB)的增益值。通過改變芯片的反饋電容大小改變增益的大小。

當分支器件被用在標準的四器件電橋時,所要求的輸出電壓結點為 'A'和 'B',因為ispPACl0的輸入是差分方式,所以電路的聯接將會非常的簡單,元件的總數保持在最少個數。為了使接口與電橋完全匹配,高阻抗的差分方式輸入是必要的,ispPACl0的典型輸入陰抗為109Ω。ispPAC10的輸出也是采用差分方式,這樣與其他的測量電路聯接更簡單,同時,在ispPACl0進行自動補償校準后,輸入輸出的典型偏移量為200μV。ispPACl0的另一個優點就是他的在系統可編程能力,這就使他能夠通過重新配置與不同類型的傳感器相聯接,所以,ispPACl0可以作為通用的工業級的測量。

當測量一個包含有噪聲和失真的小信號時,會有熱穩定和傳感器中不同金屬的熱偶影響,解決的辦法是補償傳感器因溫度變化而產生的影響(在電橋中放置多個傳感器)。ispPAC10可以實現與任何類型的電橋網絡完成輕松對接,通過一個感應器與其他電阻結合,組成一個完整的電橋用來測量外部參數,ispPACl0輸入的是差分信號,必須在以2.5V為中心的共模參考電壓之內,也就是說,在電橋中用5V的電源供電,由于電橋的分壓作用,使Vl和V2的電壓在2.5V左右。

圖5為一個典型的兩感應器的電橋測量電路。R1與R4為感應器。這個配置可以用到不同類型的電橋中,并且應感應器的需要,他的增益可以調整(最大值為100),他的輸出可以接到A/D轉換器轉換成數信號給后續電路進處理。


4 結 語

在系統可編程器件以及與之配套的EDA工具的出現,改變了傳統的設計思想,出現了全新的概念,是電路設計者的一個新的研究及應用領域。他大大地提高了電子電路的設計效率,是電子工作者學習的必修課,未來的電子設計人員必須掌握這門知識。
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