用在系統(tǒng)可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)雙二階型濾波器

闡述了在系統(tǒng)可編程模擬器件的特點(diǎn)以及用它設(shè)計(jì)雙二階型、連續(xù)時(shí)間低通和帶通濾波器的方法。

??? 關(guān)鍵詞： 在系統(tǒng)可編程模擬器件 雙二階型電路

??? 數(shù)字在系統(tǒng)可編程（ISP）技術(shù)和復(fù)雜可編程器件（CPLD）在電子工業(yè)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。Lattice公司最近推出的在系統(tǒng)可編程模擬電路（in system programmability Programmable Analog Circuits),簡(jiǎn)稱ispPAC,允許設(shè)計(jì)者使用EDA開(kāi)發(fā)軟件、利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和修改模擬電路,進(jìn)行電路特性模擬,最后通過(guò)編程電纜將設(shè)計(jì)方案下載至芯片中。

??? 在系統(tǒng)可編程電路提供三種可編程性能：（１）可編程功能,即具有對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、濾波等功能;（２）可編程互聯(lián),即能把器件中的多個(gè)功能塊進(jìn)行互聯(lián),對(duì)電路進(jìn)行重構(gòu),具有百分之百的電路布通率;（３）可編程特性,即能調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值。這種電路可以對(duì)電路板上的在系統(tǒng)可編程模擬器件反復(fù)編程,編程次數(shù)可達(dá)10000次。它把高集成度、精確的設(shè)計(jì)集于一片ispPAC中,取代了由許多獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)器件所實(shí)現(xiàn)的電路功能。

??? １ 在系統(tǒng)可編程模擬電路的結(jié)構(gòu)

??? 在系統(tǒng)可編程模擬器件ispPAC10的結(jié)構(gòu)由四個(gè)基本單元電路、模擬布線池、配置存儲(chǔ)器、參考電壓和自動(dòng)校正單元以及ISP接口所組成,如圖1所示。器件內(nèi)含60個(gè)有源和無(wú)源器件,用5V單電源供電?；締卧娐贩Q為PAC塊（PACblock）,它是由兩個(gè)儀表放大器和一個(gè)輸出放大器再配以電阻、電容構(gòu)成一個(gè)真正的差分輸入、差分輸出的基本單元電路,如圖２所示。所謂真正的差分輸入、差分輸出是指每個(gè)儀表放大器有兩個(gè)輸入端,輸出放大器的輸出也有兩個(gè)輸出端。電路的輸入阻抗為Ω,共模抑制比為69dB,增益調(diào)整范圍為－10～＋10dB。PAC塊中電路的增益和特性都可以用編程的方法來(lái)改變,采用一定的方法,器件可配置成1～10000倍的各種增益。輸出放大器中的電容CF有128種值可供選擇。反饋電阻RF可以斷開(kāi)或連通。器件中的基本單元可以通過(guò)模擬布線池（Analog Routing Pool)實(shí)現(xiàn)互聯(lián),以便實(shí)現(xiàn)各種電路的組合。

??? 每個(gè)PAC塊都可以獨(dú)立地構(gòu)成電路,也可以采用級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成電路以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬電路功能。圖3表示了兩種不同的連接方法。其中,（ａ）表示各個(gè)PAC塊作為獨(dú)立的電路工作;（ｂ）為四個(gè)PAC塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的電路。利用基本單元電路的組合可構(gòu)成放大、求和、積分、濾波等電路。例如,構(gòu)成雙二階有源濾波器和梯型濾波器,且無(wú)需在器件外部連接電阻、電容元件。

??? ２ 雙二階型濾波器的實(shí)現(xiàn)

??? 這里主要敘述如何用在系統(tǒng)可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)濾波器。通常用三個(gè)運(yùn)算放大器便可以實(shí)現(xiàn)雙二階型函數(shù)的電路。雙二階型函數(shù)能實(shí)現(xiàn)所有的濾波器函數(shù),如低通、高通、帶通、帶阻等。雙二階函數(shù)的表達(dá)式如下：

??? 式中,m＝1或0,n＝1或0。

??? 雙二階函數(shù)電路的靈敏度相當(dāng)?shù)?電路容易調(diào)整。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是只需附加少量的元件就能實(shí)現(xiàn)各種濾波器函數(shù)。首先討論低通函數(shù)的實(shí)現(xiàn),低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)如下：

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??? 上式又可寫(xiě)成如下形式：

??? 最后一個(gè)等式的方框圖如圖4所示。

??? 不難看出方框圖中的函數(shù)可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。把各個(gè)運(yùn)算放大器電路代入圖4所示的方框圖即可得到圖5所示的電路。

??? 然而現(xiàn)在已不再需要用電阻、電容、運(yùn)放搭電路和調(diào)試電路了。利用在系統(tǒng)可編程器件可以很方便地實(shí)現(xiàn)此電路。ispPAC10能夠?qū)崿F(xiàn)方框圖中的每一個(gè)功能塊。PAC塊可以對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行求和或求差,K為可編程增益。因此三運(yùn)放的雙二階型函數(shù)的電路用兩個(gè)PAC塊就可以實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)發(fā)軟件中使用原理圖輸入方式,把兩個(gè)PAC塊連接起來(lái),即可組成雙二階濾波器,電路如圖6所示（電路中把k11、k12、k22設(shè)置成＋1,把K21設(shè)置成－1）。

??? 電路中的CF是反饋電容,Re是輸入運(yùn)放的等效電阻。其值為250kΩ。兩個(gè)PAC塊的輸出分別為V01和V02?？梢苑謩e得到兩個(gè)表達(dá)式,第一個(gè)表達(dá)式為帶通函數(shù),第二個(gè)表達(dá)式為低通函數(shù)。即

??? 根據(jù)上面給出的方程便可以進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)了。在系統(tǒng)可編程模擬電路的開(kāi)發(fā)軟件PACDesigner中含有一個(gè)宏,專門(mén)用于濾波器的設(shè)計(jì),只要輸入f0,Q等參數(shù),即可自動(dòng)產(chǎn)生雙二階濾波器電路,設(shè)置增益和相應(yīng)的電容值。開(kāi)發(fā)軟件中還有一個(gè)模擬器,用于模擬濾波器的幅頻和相頻特性。