可編程模擬IC之考慮

模擬電路的設(shè)計與處理器、FPGA和PLD的設(shè)計，在體系結(jié)構(gòu)上有著本質(zhì)的不同。對模擬電路只要你定了電路的拓樸布局和參數(shù)，該電路的信號處理功能也就基本上固定不變了。當然，有些現(xiàn)成的功能電路塊，如各種濾波器，你可以通過改變鐘頻（對于開關(guān)電容器設(shè)計）或調(diào)整通過DAC的各種電路因素，以數(shù)字式方式來調(diào)整諸如截止頻率、滾降和其他功能等，但這些調(diào)整只能算作例外。大多數(shù)的設(shè)計在其功能上是固定的，而且在其運行性能上也幾乎不可改變的。

這種固定不變的特性并非壞事，而且事實上往往也確實如此。這種固定的性能，就可以使模擬信號處理通道的性能也因此而穩(wěn)定，變成了系統(tǒng)中幾乎沒有什么變化的一條通道。但是，在模擬設(shè)計師看來只要對FPGA或PLD重新編程，或常常用不著變動印刷電路板或板上的任何器件，而通過改動軟件就能輕松地進行修改，上級或調(diào)整電路功能時,自然會抑制不住對可編程性器件產(chǎn)生好感了。

其實，模擬設(shè)計師在可編程性上還真有選擇的余地呢！現(xiàn)在有幾家廠商提供的模擬IC使你可以把這些器件的性能的設(shè)定或修改作為一次性的生產(chǎn)步驟（見圖5），或在你的系統(tǒng)進入現(xiàn)場應(yīng)用后，仍可再建立或修改器件的布局或性能參數(shù)。這種可編程性提供的好處就是可配置性，甚至是可重新配置性，或者說是提供了使你的電路性能去適配應(yīng)用系統(tǒng)動態(tài)性能的能力。模擬IC使你能在不同的設(shè)計中使用那些相同的部分，并對模擬電路設(shè)計的安全保密提供某種程度的保護，以防范別人從觀察有源器件和無源器件以及它們之間的互連方法而探究出或估測到你所設(shè)計的電路的安全保密問題。

對于這些可編程模擬器件的種種前因后果和局限性，以及在系統(tǒng)中使用這種多少有些獨特的模擬器件會帶來的種種橫向影響，你都應(yīng)該審慎地加以考慮。

關(guān)于程序
與許多技術(shù)術(shù)語一樣，"可編程?"和"可編程性這兩個詞也有各種不同的解釋，這要取決于使用者和討論對象是哪種器件?？删幊虜?shù)字式器件可以是執(zhí)行固定代碼或變化代碼（程序）的處理器。它可以是一個可編程器件，其電路互連在出廠前就已掩膜編程，或由OEM在現(xiàn)場編程，如門陣列或邏輯器件那樣。也可能意思是指用戶定義某些功能參數(shù)，例如比特率，并把它們存在內(nèi)部寄存器里。

對于模擬可編程性，這些定義中有些就不適用；你并不執(zhí)行順序代碼指令。在使用可編程模擬電路時，可以由工廠或由OEM按預(yù)期的模式互連各模擬單元，或者甚至可以在現(xiàn)場應(yīng)用對各個單元重新編程。另一種方式是，電路在主要參數(shù)上是固定拓樸布局，但有些你可以按應(yīng)用的要求設(shè)定和改變，如濾波器帶寬或滾降。不過，在這種情況下，信號處理通道和基本功能要保持不變，改變的只是參數(shù)。

對模擬電路進行編程的愿望和能力并非鮮見。早期的模擬計算機就有接插線和接線板，使工程師們能夠用基本的單元模塊進行各種配置，并互換無源器件的子部件以滿足各種要求。在采用IC的混合信號處理領(lǐng)域里，工程師們早就使用過數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（DAC）以數(shù)字的方式設(shè)置模擬電路的參數(shù)，特別是對濾波器，早已有人采用模擬開關(guān)對模擬信號處理通道進行再配置和再定路由。這種可再配置和可再定路由的體系結(jié)構(gòu)，要求對結(jié)構(gòu)規(guī)劃、印制電路板設(shè)計和差錯預(yù)算都要進行認真的分析。

當你需要可編程性時，似乎就意味著只有數(shù)字式是唯一的出路。然而，如果你對處理器和可執(zhí)行代碼做法沒有偏見的話，你也還有多種理由選擇模擬方式。例如，幾乎每種信號處理應(yīng)用都要求使用濾波器；甚至數(shù)字式濾波器也需要模擬奈奎斯特（Nyqaist）頻率濾波器，以避免取樣過程中的混淆現(xiàn)象。低電平信號通常需要經(jīng)過放大后才能與變頻器的信號兼容，并獲得最大SNR（信噪比）和動態(tài)范圍。就算你能用所有的數(shù)字式技術(shù)對信號進行濾波和整形，但相比之下，模塊方法仍然是成本更低、功耗更小的方案。以峰值檢波器為例，如果是采用模擬方案，只不過是一個或兩個運算放大器和幾個二極管的事，但如用數(shù)字方法去做，就要包括一個濾波器，一個數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，還要一個處理器。

不要把可編程模塊IC混同于模塊ASIC和掩膜編程陣列。有些廠家提供他們已做過模型的各種模擬單元電路庫，把單元電路互連后就可以滿足用戶的應(yīng)用要求。多年來，廠家和用戶都相信，通過選用單元電路庫中的單元電路，就能比較容易地搭配成所需要的模擬IC?；蛘吒唧w地講，挑一個運算放大器單元，一個比較器單元，和一個乘法器單元更好。

不過，你對高性能模擬設(shè)計的要求，增加了設(shè)計師在配置和生產(chǎn)這些高性能IC的難度，因為明擺著有許多微妙而又相互影響的因素，如發(fā)熱問題，以及與設(shè)計布局和處理過程而產(chǎn)生的各種因素。許多模塊電路的OEM廠家，使用單元電路庫作為標準產(chǎn)品設(shè)計的起點，但同時也要用他們的經(jīng)驗對最后的單元互連設(shè)計進行實質(zhì)性的調(diào)整，才能使IC達到預(yù)期的目的。

廠家提供的品種終歸有限
當你比較不同來源的基本模擬部件品種，如運算放大器和變頻器時，就會發(fā)現(xiàn)它們在體系結(jié)構(gòu)和性能上都有所差別。不過，一般這些差別是可以分析解決的，先要做一個有意義的比較，從比較基本技術(shù)規(guī)格開始，如帶寬、穩(wěn)定時間、線性誤差以及關(guān)于性能和其他各種主要測量參數(shù)，然后再看更微妙也更關(guān)鍵的次要測量參數(shù)。

對于可編程模擬IC，各廠家都按基本原理提供產(chǎn)品。有些是基本模擬功能，如放大器；有些則含有更多的功能，本身可運行為處理模擬信號的子系統(tǒng)。你先要仔細審核自己的應(yīng)用要求，再看市售的那種產(chǎn)品型號能有效地適用于你的設(shè)計。現(xiàn)有的產(chǎn)品也許正好適合或接近你的要求，也許就根本用不上。你可能還需要一個幾乎對任選信號通道都能配置的自由陣列，或者只需要一個在布局和參數(shù)上有一定選擇余地的濾波器。

如果從查看基本功能開始，那首先應(yīng)該是MOSFET晶體管了。Advanced?Linear?Devices公司提供一系列通電可編程的模擬器件（EPAD）使你能在插入最后電路（圖1）之前和之后，仍可調(diào)節(jié)閾值電壓和接通電阻。這種EPAD在換能器前置放大器和傳感器信號調(diào)節(jié)通道中，起電控微電位器的作用。如果你的應(yīng)用系統(tǒng)需要保護的話，還可以把該器件密封起來，或者放在既碰不著又能工作的地方。但一旦設(shè)定，就能節(jié)省內(nèi)部偏置電壓。雙ALD?1108E和四ALD110E器件的編程電平，電流為0.1至3mA，電壓范圍為1至3V，可以按0.1V分檔量來編程。（請注意：加大閾值電壓就相當于降低漏電流。）

從基礎(chǔ)物理的角度來看，由外部注入的電荷，會改變進入浮柵襯底的EPAD參數(shù)；這些注入的電荷加大了閾值電平。如果你的設(shè)計需要雙向控制，就應(yīng)設(shè)置兩個背對背的EPAD，因為這種編程是單一功能的（圖1（b））。另外，對EPAD也不能無限次地重新編程。標準的EPAD電路一般只允許20到50次重新編程。當然，這對許多應(yīng)用項目已經(jīng)足夠了。例如使前置放大器與傳感器的特性或工廠校準的周期相匹配大概就是這個數(shù)。

用EPAD取代微調(diào)電位器的優(yōu)點在于：EPAD直沒有活動的零件，使用環(huán)境堅固，而且比起標準規(guī)格為2000分之一的10轉(zhuǎn)機械器件來說，分辨率要高。另外，還可以先把EPAD密封起來，然后通過軟件對它們進行調(diào)整。不過，對某些因素你也必須加以考慮，如EPAD的再微調(diào)周期有限，應(yīng)用上還有許多難題，可選數(shù)值也有限。

EPAD的品種不只是基本的MOSFET。廠家還提供運算放大器ALD1722E和微功率ALD1726E，使你能設(shè)定起始偏置電壓Vos。通過設(shè)定這個電壓，就能夠降低或消除由于偏壓狀態(tài)引起的Vos誤差，和由于電源抑制比、共模抑制比和Vos溫度系數(shù)誤差而引起的一些后果。ALD1726E的起始輸入Vos在出廠時為50mV，你可以把這個電壓上調(diào)到610mV。售價1美元的運算放大器的工作電壓可以低到2V，標準輸入電流不到0.01pA，帶寬為200kHz，轉(zhuǎn)換速率為0.17V/ms。

在給EPAD編程時，要使用到售價為499美元的E100編程器（圖2）。該編程器由使用Windows的PC操作，運行編程算法的目的是通過加快閾值電壓的穩(wěn)定以縮短編程時間。同時，這種編程器還把超調(diào)量縮小到超過其目標值。程序員有各種EPAD的樣板，你也可以把它與售價為199美元的專用模塊合起來使用，以適配各種專用的EPAD系列。

Xicor公司是可編程運算放大器的另一家供應(yīng)廠商，提供一系列數(shù)控電子電位器（參考文獻1）。該公司的X9430雙運算放大器可以設(shè)定增益、偏置和功率電平，以滿足不同應(yīng)用的需要（圖3）。通過調(diào)整偏置，可以校正信號頻道以降低偏置漂移的影響，因為溫度變化和老化常常引發(fā)漂移。

雙運算放大器內(nèi)還裝有一個非易失性EEPROM，以存儲所設(shè)定的參數(shù)；除了運算放大器所要求的4個字節(jié)外，EEPROM還提供有12個字節(jié)可用于其他與運算放大器無關(guān)的數(shù)據(jù)存儲。通過一個SPI（X9430）X9438用的I2C串行接口對器件運行編程；也可以單獨使用相關(guān)的數(shù)字電位器來控制IC中運算放大器的偏置。

對于更復雜的偏程電路，Sumnit?Microelectronics公司把模擬電路與非易失性存儲器組合成各種IC，用這些電路，甚至最終用戶也能完成微調(diào)模擬功能，例如為監(jiān)控電路設(shè)定閾值電平。這些器件所提供的好處是，如有必要，用戶可以剪裁其中的一個部分去搭拼各種變化無窮的電路，或作為監(jiān)控電路的一個部分。

例如，Summit?Microelectronics公司推出一種售價為7.58美元（批量1000只）的SMS24可編程監(jiān)控IC，就能設(shè)定兩個配置電平。通過雙線串行接口或系統(tǒng)編程器，其一，你可以變動復位輸出極性，監(jiān)視定時器復位，寫保護優(yōu)化以及手動復位等所用的引腳和內(nèi)部塊功能；其二，你可以建立電壓閾值和定時周期所用的參數(shù)。復位電壓閾值范圍為2.15至4.75V。

另外，Summit公司還提供一種熱交換控制器，型號為SMH4042，用這種控制器就能根據(jù)需要改變電壓狀態(tài)起始點。熱交換控制器需要的基本功能在概念上是簡單的，即先看監(jiān)視主機電源電壓和后端電壓電平，再接通或斷開控制向卡板邏輯電路供電電源的功率MOSFET。但在實踐上，每個電源上，平臺與平臺之間的差別可以高達50mV。這個監(jiān)控主機電壓和卡板電壓的IC上，有一個便于總線預(yù)充電設(shè)計的1V參考輸出，一個用于可靠升壓和降壓的可編程斜率，以及Compact?PCI信號交換和引腳檢測。

把這個可編程參量的概念加以擴大，但仍保持固定的拓樸布局，Summit公司開發(fā)了SMS44四對電壓監(jiān)視器（圖4）。你可以對每個監(jiān)視器單獨設(shè)定其監(jiān)視職責，電壓范圍在0.9到6V,按20mV量分檔，可以設(shè)定"看門狗"定時器的定時周期，建立各種被監(jiān)視電壓的邏輯組合以生成復位和中斷輸出，還可設(shè)定復位脈沖寬度。SMD1108IC則增加了一個8通道、10位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器外加幾條監(jiān)視通道，另外也多了非易失性存儲器。在每個器件上，還可以設(shè)定轉(zhuǎn)換器通道的上限和下限，而且如果閾值出現(xiàn)交叉，IC就生成一個中斷或報警信號。

對于要求可配置電路的設(shè)計，Lattice?Semiconductor公司提供一系列模擬功能塊和設(shè)計工具。有一種型號為isp?PAC10的IC，售價不到7美元（批量1000只）它包括可以由模擬路由組合器互連的四個濾波器累加塊（圖5）。每個塊有兩個測量放大器和一個輸出放大器。這種器件的最大可編程增益為620，增益范圍為從零到160000，有可編程濾波器的響應(yīng)，其目的功能為累加和合成。該IC還有一個2.5V的基準電壓和非易失性存儲器。而類似的isp?PAC20，則增加了一個8位的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和一對差分比較器。

你可以用在以PC為基礎(chǔ)的設(shè)計工具和軟件來設(shè)計你自己的信號處理應(yīng)用項目；對于通用功能，如連續(xù)時間的雙二階和梯形濾波器，以及不同階次的各種濾波器，可利用市上出售的宏功能塊（圖6）。這些濾波器的運行速度可以快到100kHz。你用市面上出售的功能塊來設(shè)計電路，選擇器件及其數(shù)值，對互連進行定義，然后運行模擬實驗以驗證該電路是否達到你的設(shè)計要求。

一旦你完成模擬實驗，就對IC進行編程，可以作為一個獨立的，也可以作為電路內(nèi)的一個器件。內(nèi)部非易失性存儲器存儲你選定的設(shè)定值。這些器件可提供可利用帶寬為650kHz，在10kHz時THD為288dB動態(tài)范圍為100dB。

對于更復雜的配置，Lattice公司最近推出了isp?PAC80電路，是一種5V的可編程器件，用于對多種拓樸布局進行濾波，包括Butterworth,Cheybchev、Legendre、橢圓的，Gaussian和線性相位。這種連續(xù)時間五階濾波器運行速度為500kHz，其頻率設(shè)定精度也高到目標頻率的3.5%，包括全部所需要的電阻器和電容器以及一個可編程增益放大器。所有內(nèi)部電路，從輸入到輸出都是差分的。該器件將300mV的偏置電壓與精密的CMOS放大器和1kHz交流時THD為290dB性能組合在一起。

可以對isp?PAC80預(yù)設(shè)兩個濾波器配置，再通過JTAG接口或SPI發(fā)送一條命令引導IC實施它們之間的交換。利用這種特性，可以使你的應(yīng)用從寬帶的快速完成信號采集模式，變?yōu)檎瓗盘柧崮Ｊ?，或根?jù)信號的情況進行適配。售價149美元基于Windows的設(shè)計軟件使你能夠從濾波器品種庫中挑選，方法是調(diào)看預(yù)期的性能目標和各種局限指標，也可以通過識別你所喜歡的拓樸布局加以挑選；你還可以對自己的電路進行定義。設(shè)計軟件再為你挑選合適的配置和器件數(shù)值，提供直流和交流模擬，并對設(shè)計形成文件。

在靈活性和可配置性方面，Zetex公司提供了可再配置模擬萬用電路（TRAC）系列（圖7）。這種TRAC是屬于對數(shù)字式FPGA的模擬。從直流到1MHz的TRAC020CH器件有20個模擬處理單元，可以通過互連形成信號處理功能。

對每個單元的功能或操作對象進行定義：開路、短路、加、求反、對數(shù)、反對數(shù)、整流微分、積分及放大和衰減。（中學數(shù)學學過：用對數(shù)和反對數(shù)函數(shù)再加上加法和減法，就能做乘法和除法）。TRAC利用所有片上器件實現(xiàn)上述的多數(shù)操作功能，但有些需要用戶提供的外部電阻器和電容器才能實現(xiàn)；TRAC?IC在內(nèi)部寄存器里存儲你所要的功能。但你要對你的信號處理功能先劃出框圖，然后再用TRAC單元加以實現(xiàn)（圖8（a））和（b））。

在開發(fā)TRAC信號處理通道時，可以用運行Windows的PC和廠家的開發(fā)工具。售價為460美元的全套工具在仿真板上有四組20單元的TRAC器件和EEPROM，設(shè)計軟件以及文件。利用這種軟件，用戶就可以著手設(shè)計，從軟件的工具架上選出想要的單元功能并放到預(yù)期的單元上，加上互連接插件，再選擇內(nèi)部的各種器件以及內(nèi)部和外部的各種連接。下一步是對性能進行模擬，看配置后的電路性能如何。最后是用并行電纜把你認為可以接受的配置數(shù)據(jù)從PC上下載到TRAC的寄存器里。如果你的用量比較大，對TRAC的實施方案也感到滿意，就可以用限定高頻參數(shù)時性能的金屬掩膜互連層，把它做成一個固定功能，低成本型的器件。

你準備就此認可嗎？
當你在設(shè)計的許多部分要用同樣的未編程器件或在許多產(chǎn)品中有交叉情況時，用可編程模擬IC在靈活性、按要求可定制性以及庫存管理和外購方面，就有一定的明顯優(yōu)勢。當然，在真正實施之前，對某些重點要求是需要慎重考慮的。
首先，要考慮的問題是能達到什么樣的模擬性能。從模擬IC廠家你能得到幾千種模擬器件，在一級和二級技術(shù)規(guī)格中，如交流性能、直流性能、噪聲、功耗和成本等你都能找到最好的器件，或是某些技術(shù)規(guī)格的組合，來適應(yīng)你的要求。與這些固定功能的常規(guī)模擬器件相比，在單一性能參數(shù)或組合參數(shù)上，可編程模擬IC并不突出?？删幊唐骷梢云鹌胶飧鞣N性能因素的作用，但這種平衡未必適合你的應(yīng)用要求。這些器件趨向以低頻到中頻為目標，在這些檔次上要求的是比較好的性能，但不一定是特別突出的性能。
其次要考慮的是，由于采用了可編程模擬器件，你就改變了航向，偏離了模擬IC的基本現(xiàn)實：許多基本器件，如運算放大器和轉(zhuǎn)換器都有多個可替換的電路。廠家提供某些專利的或拔尖的器件，在一個或幾個性能參數(shù)上是最優(yōu)秀的，但如果廠家在發(fā)貨上有問題時，你通常要找到近似的或可以接受的引腳兼容的替代品，甚至不得不做出一定讓步或折中。
由于許多系統(tǒng)也使用專利產(chǎn)品；這種產(chǎn)品在設(shè)計的某些部分是沒有替代品的，因此，大多數(shù)設(shè)計師和項目經(jīng)理都想法盡量少用這種只此一家別無分店的產(chǎn)品。設(shè)計師只是在使用這種獨家產(chǎn)品在競爭中能占據(jù)領(lǐng)先地位時，才使用它們。在設(shè)計的常規(guī)情況下，通常是在模擬信號處理范圍內(nèi)或電源功能上，你對萬一廠家或廠家的產(chǎn)品出了問題，要有足夠預(yù)防措施。
你購買非可編程器件時，就打算要廠家承擔器件的檢測、微調(diào)和封裝，并保證器件的工作性能達到技術(shù)說明書上所列的規(guī)格。事實上，你是以潛在的器件靈活性來換取器件能達到最低的不穩(wěn)定性，雖然你的最后電路還會有某些設(shè)計的不穩(wěn)定性。當可編程器件的工作性能與你所期望的不一樣時，究竟是因為器件失效而達不到技術(shù)規(guī)范的要求呢，還是你使用不當?shù)慕Y(jié)果，這些都是很難判定的。
對于可編程IC廠家提供的工具和開發(fā)系統(tǒng)，你也要用得順手才行，因為在設(shè)計上你需要這些軟件和編程單元。同樣，這種情況與大多數(shù)模擬設(shè)計的做法不同，模擬設(shè)計使用廠家提供的技術(shù)規(guī)范和器件模型，但使用時也同時用支持模擬工具，如Spice，或各種來源的EDA工具。另外，這類不同的設(shè)計方法不需要編程系統(tǒng)。

再回來衡量各種選擇
如果你的應(yīng)用可以在較低的性能檔次上運行，或者是要求比較靈活或難以界定，可編程模擬器件可能是合適的選擇。根據(jù)你選定的器件，你可以改變器件的參數(shù)。你也可以改變電路的性能，甚至在過程中的改變其拓樸布局，減少材料清單上的庫存量和獨家產(chǎn)品，并開發(fā)可適應(yīng)性設(shè)計，使系統(tǒng)處理器能改變模擬信號處理鏈路的特性參數(shù)使用這些器件，你還可能在某種程度上，保護你的設(shè)計秘密。
這些器件本身是獨特的，限制你只能把它們用在某一范圍內(nèi)的通用項目上。你還需要專用的設(shè)計和模擬工具，也因此失去大多數(shù)模擬設(shè)計會享有的廣泛選擇廠家和機會。同時還要考慮對于應(yīng)用的支持，對標準模擬器件所能利用的設(shè)計說明有多少，以及完成設(shè)計所需要的時間。
如果你的設(shè)計需要靈活性，你可能會覺得用標準的非可編程器件，和通過機械的或電驅(qū)動的方式對某些功能編程的能力，也許是一個不錯的替代方法。