基于开关电容技术的新型FPAA构造体系

引言

尽管数字电路占领了大部分VLSI市场,但在现代电子系统中，模拟IC仍占有重要角色，如在模拟信号处理，工业过程控制，生物医学测量等场合中模拟IC依然必不可少口〕。由于模拟IC有其独特的特点，从而推动了现场可编程模拟集成电路芯片的发展。假如在一个数字电路设计者的工具中没有可编程逻辑阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)，那么他设计的艰难度将是不可想象的，然而，可编程模拟阵列FPAA对于模拟集成电路设计者依然是个梦想刀。FPAA提出已将近十年，但是，直到今天，在模拟集成电路中仍然没有对等于FPGA的系统设计流程提出。本文正是基于上述理由，提出了基于开关电容的FPAA设计方案。

1 FPAA的基本组成

FPAA现场可编程模拟阵列，最早由LEE和GILAK提出，与FPGA相对应。FPGA是一种可编程逻辑阵列，阵列内部由逻辑块组成，逻辑块之间互连的是布线结构，包括线段和编程开关。芯片内部硬件连接关系的描述可存放在ROM、PROM、EPROM中，故在外部电路不变的情况下，换一块EPROM即可实现新的功能与FPGA类似，该方法也被FPAA采用，FPAA也由模拟阵列组成，它包括可构造模拟块和互连网络，电路连接及参数等数据一般存贮在寄存器或存贮器中。

FPAA设计中常用的技术有开关电容技术、跨导技术、电流模技术，本文就其中的开关电容技术提出一种新型FPAA设计方案。对于开关电容的FPAA,每个可编程模拟单元包括一个运算放大器，一个可编程电容阵列和一系列的CMOS传输开关，全局连线有水平和垂直两个通道，在交叉处有一开关阵列以实现交叉连接。开关可由阵列内部的信号动态控制，可用以实现开关电容全波整流等电路。

FPAA统一由执行不同功能的CAB构成,每一个CAB包含有两个背靠背连接的倒向器、放大器和开关电容，在CAB之间相连的是处于开态或关态的电容。这些CAB的内在结构和不同CAB之间通过使用数字控制信号形成了含一定功能的模块，从而使整个FPAA具有一定的功能。如果想改变FPAA的功能,只需更换其中的CAB或重新编程即可。

2 FPAA的全局设计方案

图1所示是基于开关电容的FPAA全局结构。该FPAA包括电路保真、CAB、输入端、连线和数控电流等几个基本部分，实际设计时可跟据应用行业的不同，再加一些功能块以生成更复杂的电路,从而满足不同的应用。

图1中节点网络之间的连接类似于CAB内部的控制。当控制电流驱动时钟到达先前设定的相位时，根据已定义好的指令开启或闭合电容时，一个电路的节点也就形成了，而电流相位未达到设定值则不能形成节点。由于这些开关是由开关电容控制的，所以在节点网络中，不需要像以前文献中指出的那样使用额外开关。

根据图1的整体布局思想构造的一个FPAA,它由20个运算放大器排成4X5的阵列，周围有13个可编程I/O接口，可灵活满足外部信号的端口需要。

3 FPAA结构中的数控电流

FPAA全局图中的数控电路包括控制逻辑和数据处理部分。控制逻辑使用算法状态机ASM(TheAlgorithmicState)的计算机逼近方法。控制逻辑包括一个数据处理子系统,它根据先前定义在处理器中的逻辑功能，对数据进行处理并产生控制信号，处理的次序和数据处理器任务的分配作为一个硬件运算法则如图2所示。

数据处理器的控制命令可从PC机上下载或从EPROM中调用，它包括三个寄存器和一个计数器。开关电容信息可根据使用者事先定义的控制命令进行编译，生成的控制信号送往FPAA结构中相应的部分。每一步的算法如ASM图表中所示，这些步骤由逻辑控制，主要包括三个部分:MUX、D触发器和译码器(1:4),可提供准确的结构位置。

4 FPAA内部的CAB

设计CAB单元时，可在电路中运用原型电路，双倍静止LC梯形单元等。其连续时间单元可通过一个S函数变换做近似变形，然后在Z函数变换中使用双线性来替代，这样，这个Z函数变换就可产生精确的CAB设计方案。

本文将以LC电路为例来讲解这个变换，以便在FPAA中实现可控开关电容的编程。其具体变换如下：