基于開關(guān)電容技術(shù)的新型FPAA構(gòu)造體系

引言

盡管數(shù)字電路占領(lǐng)了大部分VLSI市場,但在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，模擬IC仍占有重要角色，如在模擬信號處理，工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)測量等場合中模擬IC依然必不可少口〕。由于模擬IC有其獨(dú)特的特點(diǎn)，從而推動(dòng)了現(xiàn)場可編程模擬集成電路芯片的發(fā)展。假如在一個(gè)數(shù)字電路設(shè)計(jì)者的工具中沒有可編程邏輯陣列FPGA(FieldProgrammableGateArray)，那么他設(shè)計(jì)的艱難度將是不可想象的，然而，可編程模擬陣列FPAA對于模擬集成電路設(shè)計(jì)者依然是個(gè)夢想刀。FPAA提出已將近十年，但是，直到今天，在模擬集成電路中仍然沒有對等于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程提出。本文正是基于上述理由，提出了基于開關(guān)電容的FPAA設(shè)計(jì)方案。

1 FPAA的基本組成

FPAA現(xiàn)場可編程模擬陣列，最早由LEE和GILAK提出，與FPGA相對應(yīng)。FPGA是一種可編程邏輯陣列，陣列內(nèi)部由邏輯塊組成，邏輯塊之間互連的是布線結(jié)構(gòu)，包括線段和編程開關(guān)。芯片內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述可存放在ROM、PROM、EPROM中，故在外部電路不變的情況下，換一塊EPROM即可實(shí)現(xiàn)新的功能與FPGA類似，該方法也被FPAA采用，F(xiàn)PAA也由模擬陣列組成，它包括可構(gòu)造模擬塊和互連網(wǎng)絡(luò)，電路連接及參數(shù)等數(shù)據(jù)一般存貯在寄存器或存貯器中。

FPAA設(shè)計(jì)中常用的技術(shù)有開關(guān)電容技術(shù)、跨導(dǎo)技術(shù)、電流模技術(shù)，本文就其中的開關(guān)電容技術(shù)提出一種新型FPAA設(shè)計(jì)方案。對于開關(guān)電容的FPAA,每個(gè)可編程模擬單元包括一個(gè)運(yùn)算放大器，一個(gè)可編程電容陣列和一系列的CMOS傳輸開關(guān)，全局連線有水平和垂直兩個(gè)通道，在交叉處有一開關(guān)陣列以實(shí)現(xiàn)交叉連接。開關(guān)可由陣列內(nèi)部的信號動(dòng)態(tài)控制，可用以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電容全波整流等電路。

FPAA統(tǒng)一由執(zhí)行不同功能的CAB構(gòu)成,每一個(gè)CAB包含有兩個(gè)背靠背連接的倒向器、放大器和開關(guān)電容，在CAB之間相連的是處于開態(tài)或關(guān)態(tài)的電容。這些CAB的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和不同CAB之間通過使用數(shù)字控制信號形成了含一定功能的模塊，從而使整個(gè)FPAA具有一定的功能。如果想改變FPAA的功能,只需更換其中的CAB或重新編程即可。

2 FPAA的全局設(shè)計(jì)方案

圖1所示是基于開關(guān)電容的FPAA全局結(jié)構(gòu)。該FPAA包括電路保真、CAB、輸入端、連線和數(shù)控電流等幾個(gè)基本部分，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可跟據(jù)應(yīng)用行業(yè)的不同，再加一些功能塊以生成更復(fù)雜的電路,從而滿足不同的應(yīng)用。

圖1中節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)之間的連接類似于CAB內(nèi)部的控制。當(dāng)控制電流驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘到達(dá)先前設(shè)定的相位時(shí)，根據(jù)已定義好的指令開啟或閉合電容時(shí)，一個(gè)電路的節(jié)點(diǎn)也就形成了，而電流相位未達(dá)到設(shè)定值則不能形成節(jié)點(diǎn)。由于這些開關(guān)是由開關(guān)電容控制的，所以在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，不需要像以前文獻(xiàn)中指出的那樣使用額外開關(guān)。

根據(jù)圖1的整體布局思想構(gòu)造的一個(gè)FPAA,它由20個(gè)運(yùn)算放大器排成4X5的陣列，周圍有13個(gè)可編程I/O接口，可靈活滿足外部信號的端口需要。

3 FPAA結(jié)構(gòu)中的數(shù)控電流

FPAA全局圖中的數(shù)控電路包括控制邏輯和數(shù)據(jù)處理部分?？刂七壿嬍褂盟惴顟B(tài)機(jī)ASM(TheAlgorithmicState)的計(jì)算機(jī)逼近方法?？刂七壿嫲ㄒ粋€(gè)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng),它根據(jù)先前定義在處理器中的邏輯功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信號，處理的次序和數(shù)據(jù)處理器任務(wù)的分配作為一個(gè)硬件運(yùn)算法則如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理器的控制命令可從PC機(jī)上下載或從EPROM中調(diào)用，它包括三個(gè)寄存器和一個(gè)計(jì)數(shù)器。開關(guān)電容信息可根據(jù)使用者事先定義的控制命令進(jìn)行編譯，生成的控制信號送往FPAA結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的部分。每一步的算法如ASM圖表中所示，這些步驟由邏輯控制，主要包括三個(gè)部分:MUX、D觸發(fā)器和譯碼器(1:4),可提供準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)位置。

4 FPAA內(nèi)部的CAB

設(shè)計(jì)CAB單元時(shí)，可在電路中運(yùn)用原型電路，雙倍靜止LC梯形單元等。其連續(xù)時(shí)間單元可通過一個(gè)S函數(shù)變換做近似變形，然后在Z函數(shù)變換中使用雙線性來替代，這樣，這個(gè)Z函數(shù)變換就可產(chǎn)生精確的CAB設(shè)計(jì)方案。

本文將以LC電路為例來講解這個(gè)變換，以便在FPAA中實(shí)現(xiàn)可控開關(guān)電容的編程。其具體變換如下：