系统可编程模拟器件如何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威廉希尔官方网站 （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威廉希尔官方网站 ，进行威廉希尔官方网站 特性模拟，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。
　　
　　在系统可编程威廉希尔官方网站 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，对威廉希尔官方网站 进行重构，具有百分之百的威廉希尔官方网站 布通率;（３）可编程特性，即能调整威廉希尔官方网站 的增益、带宽和阈值。这种威廉希尔官方网站 可以对威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 功能。
　　１ 在系统可编程模拟威廉希尔官方网站 的结构
　　在系统可编程模拟器件ispPAC10的结构由四个基本单元威廉希尔官方网站 、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。基本单元威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，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。威廉希尔官方网站 的输入阻抗为Ω，共模抑制比为69dB，增益调整范围为－10～＋10dB。PAC块中威廉希尔官方网站 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CF有128种值可供选择。反馈电阻RF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，以便实现各种威廉希尔官方网站 的组合。
　　
　　每个PAC块都可以独立地构成威廉希尔官方网站 ，也可以采用级联的方式构成威廉希尔官方网站 以实现复杂的模拟威廉希尔官方网站 功能。图3表示了两种不同的连接方法。其中，（ａ）表示各个PAC块作为独立的威廉希尔官方网站 工作;（ｂ）为四个PAC块级联构成一个复杂的威廉希尔官方网站 。利用基本单元威廉希尔官方网站 的组合可构成放大、求和、积分、滤波等威廉希尔官方网站 。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威廉希尔官方网站 。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。
　　双二阶函数威廉希尔官方网站 的灵敏度相当低，威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 、积分威廉希尔官方网站 、有损积分威廉希尔官方网站 来实现。把各个运算放大器威廉希尔官方网站 代入图4所示的方框图即可得到图5所示的威廉希尔官方网站 。
　　
　　然而现在已不再需要用电阻、电容、运放搭威廉希尔官方网站 和调试威廉希尔官方网站 了。利用在系统可编程器件可以很方便地实现此威廉希尔官方网站 。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威廉希尔官方网站 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，威廉希尔官方网站 如图6所示（威廉希尔官方网站 中把k11、k12、k22设置成＋1，把K21设置成－1）。
　　威廉希尔官方网站 中的CF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。在系统可编程模拟威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，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。