用在系統可編程模擬器件實現雙二階型濾波器

闡述了在系統可編程模擬器件的特點以及用它設計雙二階型、連續時間低通和帶通濾波器的方法。

??? 關鍵詞： 在系統可編程模擬器件 雙二階型電路

??? 數字在系統可編程（ISP）技術和復雜可編程器件（CPLD）在電子工業領域已得到了廣泛的應用。Lattice公司最近推出的在系統可編程模擬電路（in system programmability Programmable Analog Circuits),簡稱ispPAC,允許設計者使用EDA開發軟件、利用計算機設計和修改模擬電路,進行電路特性模擬,最后通過編程電纜將設計方案下載至芯片中。

??? 在系統可編程電路提供三種可編程性能：（１）可編程功能,即具有對模擬信號進行放大、轉換、濾波等功能;（２）可編程互聯,即能把器件中的多個功能塊進行互聯,對電路進行重構,具有百分之百的電路布通率;（３）可編程特性,即能調整電路的增益、帶寬和閾值。這種電路可以對電路板上的在系統可編程模擬器件反復編程,編程次數可達10000次。它把高集成度、精確的設計集于一片ispPAC中,取代了由許多獨立標準器件所實現的電路功能。

??? １ 在系統可編程模擬電路的結構

??? 在系統可編程模擬器件ispPAC10的結構由四個基本單元電路、模擬布線池、配置存儲器、參考電壓和自動校正單元以及ISP接口所組成,如圖1所示。器件內含60個有源和無源器件,用5V單電源供電。基本單元電路稱為PAC塊（PACblock）,它是由兩個儀表放大器和一個輸出放大器再配以電阻、電容構成一個真正的差分輸入、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、差分輸出是指每個儀表放大器有兩個輸入端,輸出放大器的輸出也有兩個輸出端。電路的輸入阻抗為Ω,共模抑制比為69dB,增益調整范圍為－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可以斷開或連通。器件中的基本單元可以通過模擬布線池（Analog Routing Pool)實現互聯,以便實現各種電路的組合。

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

??? ２ 雙二階型濾波器的實現

??? 這里主要敘述如何用在系統可編程模擬器件實現濾波器。通常用三個運算放大器便可以實現雙二階型函數的電路。雙二階型函數能實現所有的濾波器函數,如低通、高通、帶通、帶阻等。雙二階函數的表達式如下：

??? 式中,m＝1或0,n＝1或0。

??? 雙二階函數電路的靈敏度相當低,電路容易調整。另一個顯著特點是只需附加少量的元件就能實現各種濾波器函數。首先討論低通函數的實現,低通濾波器的轉移函數如下：

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??? 上式又可寫成如下形式：

??? 最后一個等式的方框圖如圖4所示。

??? 不難看出方框圖中的函數可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來實現。把各個運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。

??? 然而現在已不再需要用電阻、電容、運放搭電路和調試電路了。利用在系統可編程器件可以很方便地實現此電路。ispPAC10能夠實現方框圖中的每一個功能塊。PAC塊可以對兩個信號進行求和或求差,K為可編程增益。因此三運放的雙二階型函數的電路用兩個PAC塊就可以實現。在開發軟件中使用原理圖輸入方式,把兩個PAC塊連接起來,即可組成雙二階濾波器,電路如圖6所示（電路中把k11、k12、k22設置成＋1,把K21設置成－1）。

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

??? 根據上面給出的方程便可以進行濾波器設計了。在系統可編程模擬電路的開發軟件PACDesigner中含有一個宏,專門用于濾波器的設計,只要輸入f0,Q等參數,即可自動產生雙二階濾波器電路,設置增益和相應的電容值。開發軟件中還有一個模擬器,用于模擬濾波器的幅頻和相頻特性。