用在系统可编程模拟器件实现双二阶型滤波器

数字在系统可编程(ISP)技术和复杂可编程器件(CPLD)在电子工业领域已得到了广泛的应用。Lattice公司最近推出的在系统可编程模拟电路(in system programmability Programmable Analog Circuits)，简称ispPAC，允许设计者使用EDA开发软件、利用计算机设计和修改模拟电路，进行电路特性模拟，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。
　　在系统可编程电路提供三种可编程性能：(1)可编程功能，即具有对模拟信号进行放大、转换、滤波等功能；(2)可编程互联，即能把器件中的多个功能块进行互联，对电路进行重构，具有百分之百的电路布通率；(3)可编程特性，即能调整电路的增益、带宽和阈值。这种电路可以对电路板上的在系统可编程模拟器件反复编程，编程次数可达10000次。它把高集成度、精确的设计集于一片ispPAC中，取代了由许多独立标准器件所实现的电路功能。
1 在系统可编程模拟电路的结构

　　在系统可编程模拟器件ispPAC10的结构由四个基本单元电路、模拟布线池、配置存储器、参考电压和自动校正单元以及ISP接口所组成，如图1所示。器件内含60个有源和无源器件，用5V单电源供电。基本单元电路称为PAC块(PACblock)，它是由两个仪表放大器和一个输出放大器再配以电阻、电容构成一个真正的差分输入、差分输出的基本单元电路，如图2所示。所谓真正的差分输入、差分输出是指每个仪表放大器有两个输入端，输出放大器的输出也有两个输出端。电路的输入阻抗为10⁹Ω，共模抑制比为69dB，增益调整范围为－10～＋10dB。PAC块中电路的增益和特性都可以用编程的方法来改变，采用一定的方法，器件可配置成1～10000倍的各种增益。输出放大器中的电容C_F有128种值可供选择。反馈电阻R_F可以断开或连通。器件中的基本单元可以通过模拟布线池(Analog Routing Pool)实现互联，以便实现各种电路的组合。

　　每个PAC块都可以独立地构成电路，也可以采用级联的方式构成电路以实现复杂的模拟电路功能。图3表示了两种不同的连接方法。其中，(a)表示各个PAC块作为独立的电路工作；(b)为四个PAC块级联构成一个复杂的电路。利用基本单元电路的组合可构成放大、求和、积分、滤波等电路。例如，构成双二阶有源滤波器和梯型滤波器，且无需在器件外部连接电阻、电容元件。

2 双二阶型滤波器的实现
　　这里主要叙述如何用在系统可编程模拟器件实现滤波器。通常用三个运算放大器便可以实现双二阶型函数的电路。双二阶型函数能实现所有的滤波器函数，如低通、高通、带通、带阻等。双二阶函数的表达式如下：
　　
　　式中，m＝1或0，n＝1或0。
　　双二阶函数电路的灵敏度相当低，电路容易调整。另一个显著特点是只需附加少量的元件就能实现各种滤波器函数。首先讨论低通函数的实现，低通滤波器的转移函数如下：
　　
　　上式又可写成如下形式：
　　

　　最后一个等式的方框图如图4所示。

　　不难看出方框图中的函数可以分别用反相器电路、积分电路、有损积分电路来实现。把各个运算放大器电路代入图4所示的方框图即可得到图5所示的电路。

　　然而现在已不再需要用电阻、电容、运放搭电路和调试电路了。利用在系统可编程器件可以很方便地实现此电路。ispPAC10能够实现方框图中的每一个功能块。PAC块可以对两个信号进行求和或求差，K为可编程增益。因此三运放的双二阶型函数的电路用两个PAC块就可以实现。在开发软件中使用原理图输入方式，把两个PAC块连接起来，即可组成双二阶滤波器，电路如图6所示(电路中把k₁₁、k₁₂、k₂₂设置成＋1，把K₂₁设置成－1)。

　　电路中的C_F是反馈电容，Re是输入运放的等效电阻。其值为250kΩ。两个PAC块的输出分别为V01和V02。可以分别得到两个表达式，第一个表达式为带通函数，第二个表达式为低通函数。即
　　
　　根据上面给出的方程便可以进行滤波器设计了。在系统可编程模拟电路的开发软件PACDesigner中含有一个宏，专门用于滤波器的设计，只要输入f0，Q等参数，即可自动产生双二阶滤波器电路，设置增益和相应的电容值。开发软件中还有一个模拟器，用于模拟滤波器的幅频和相频特性。