7.10. Аналоговые программируемые микросхемы

7.10.1 Общие сведения

Более половины всех электронных проектов связаны с применением аналоговой или аналого-цифровой схемотехники. Поэтому естественно, что в области разработки БИС/ СБИС с программируемой структурой этому направлению также уделяется необходимое внимание.

Аналоговые и аналого-цифровые фрагменты уже давно встраиваются в БИС/СБИС микроконтроллеров, технология БМК также нашла применение в этой области. В после­дние годы интерес фирм-разработчиков вызывают аналоговые и аналого-цифровые БИС/ СБИС с программируемой структурой. Наличие микросхем, структура которых конфигу­рируется из аналоговых блоков с программируемыми параметрами, позволяет созда­вать устройства для решения многих задач обработки аналоговых сигналов. Такие зада­чи характерны для систем управления техническими объектами различного назначения, получающими информацию отдатчиков физических величин той или иной природы (тем­пературы, давления и т. п.) в виде электрических сигналов. В подобных системах нужны как аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для оцифровки выходных сигналов дат­чиков, так и средства коммутации аналоговых сигналов, их предварительной фильтра­ции, суммирования или вычитания, нормализации, интегрирования и т. д. Подобные за­дачи решаются средствами, для которых иногда используется термин «Front-End Design». На основе микросхем с программируемыми структурами возможно быстрое проектиро­вание подсистем аналоговой и аналого-цифровой обработки сигналов, их отладка, со­здание промышленных образцов и быстрый выход на рынок.

Впервые о создании БИС с массивом программируемых пользователем аналоговых элементов объявила фирма «Motorola» (1997 г.). Эти БИС были анонсированы под на­званием МРАА020 (Motorola Field Programmable Analog Arrays), но не доведены до про­мышленного выпуска. Тем не менее анализ организации и возможностей этих БИС пред­ставляет интерес, поскольку проявляется преемственность в вопросах реализации меж­ду этими БИС и последующими разработками. В 1999 г. фирма «Lattice Semiconductor» выпустила семейство внутрисхемно программируемых (In-System Programmable) анало­говых схем типа ispPACIO и ispPAC20.

В микросхемах фирмы «Motorola» для построения операционных звеньев использу­ется схемотехника с переключаемыми конденсаторами, в микросхемах фирмы «Lattice Semiconductor» - традиционные решения с применением точных масштабирующих ре­зисторов.

В цифровой технике сигналы принимают лишь два значения, одно из которых соответ­ствует логической единице, другое - логическому нулю. Проблема точного задания этих сигналов отсутствует - требуется лишь надежно отличать один из этих сигналов от другого. Совершенно иным является положение в аналоговой технике, где сигнал должен переда­вать точное значение величины с погрешностью в десятые или сотые доли процента, т. е. требуется «дозирование» сигналов с разрешающей способностью в тысячи или даже бо­лее уровней. Традиционно (до конца 1970-х- начала 1980-х гг.) роль дозирующих парамет­ров играли в первую очередь сопротивления точных резисторов. Так, например, в извест­ной схеме масштабирующего усилителя, т. е. устройства умножения сигнала, заданного напряжением постоянного тока, на константу (рис. 7.35, а) используются два точных рези­стора, от соотношения сопротивлений которых зависит функциональная характеристика схемы, в идеализированном виде имеющая вид U2 = (- R2/R1 )U1. Интегратор (рис. 7.35, б) имеет идеализированную функциональную характеристику вида U2 = (-1/ RC)INT U1(t)dt, в которых роль масштабирующего коэффициента играет произведение сопротивления точ­ного резистора на емкость конденсатора цепи обратной связи.

В схемотехнике с дискретными схемными элементами проблема реализации точных резисторов нашла удовлетворительное решение. Для технологии интегральных схем эта проблема намного сложнее, но существует альтернативное схемное решение, благода­ря которому резисторы имитируются цепями, содержащими коммутируемые (переклю­чаемые) конденсаторы (рис. 7.35, в). В такие цепи входят конденсатор С и ключевые транзисторы Т1 и Т2, управляемые тактирующими напряжениями U_T1 и U_T2. Транзисторы Т1 и Т2 под воздействием тактирующих напряжений замыкаются поочередно, и конден­сатор С попеременно заряжается через замкнутый ключевой транзистор до напряжения U1 или U2. В момент замыкания ключевого транзистора заряд конденсатора изменяется на величину q = q1 = q2 = C(U1 - U2).Изменение заряда осуществляется короткими им­пульсами тока, протекающими через конденсатор при замыкании соответствующего клю­чевого транзистора.

Среднее значение тока в цепи между точками 1 и 2 составляет величину i= q/T = = (U1-U2)C/T, где Т - период тактирующих импульсов.

Из полученного выражения видно, что в определенном смысле, для средних значе­ний сигналов цепь ведет себя как резистор с сопротивлением R=T/C.

На основе схем с переключаемыми конденсаторами можно строить разнообразные операционные звенья, аналогичные известным из традиционной аналоговой схемотехни­ки, путем замены резисторов эквивалентными им цепями. Сопротивления эквивалентных цепочек управляются значениями тактовой частоты f = 1/T. В схемотехнике с переключае­мыми конденсаторами строятся схемы, масштабные коэффициенты функциональных ха­рактеристик которых зависят от отношения емкостей, которое может задаваться с высокой точностью. Параметры емкостей мало критичны к изменению температуры и старению. Резко (в сотни раз) снижается площадь, занимаемая цепями с переключаемыми конденса­торами в сравнении с цепями, содержащими точные резисторы.

Схема интегратора с переключаемыми конденсаторами, основного элемента для многих операционных звеньев, показана на рис. 7.35, г. Ее функциональная характерис­тика в терминах теории импульсных цепей с использованием Z-преобразования имеет вид H(Z) =

= (-C1/C2)(Z ^–1/1-Z ^–1),где Н(Z)-функция передачи интегратора, Z-оператор дискретного преобразования Лапласа.