摘  要：可编程模拟阵列FPAA是一种可编程模拟器件，很适合中小型模拟电路的设计，文章从FPAA器件的工作原理出发，详细介绍了Anadigm公司的AN10E40可编程模拟芯片的主要构成及开发工具，最后给出了一个应用举例。
    关键词：PDA；FPAA；CAB；AN10E40

　　近几年来，在数字可编程器件迅速发展的同时，可编程模拟器件（PDA）又重新露出头角，从而为模拟电路的设计和应用注入了新的活力。由于模拟可编程器件既有模拟电路固有的简洁、经济、高速、低功耗的优点，又具有现场可编程能力，同时还可以由用户配置其内部连接和元件参数，因此，可以非常方便地获得所需的电路功能。

1现场可编程模拟阵列FPAA
　　现场可编程模拟阵列（FPAA）是可编程模拟器件的一种，其主要构成如图1所示，它的核心是CAB可编程模拟单元。
　　从图1可以看出，FPAA的基本结构与可编程逻辑器件类似，其中输入、输出单元与器件引脚相连，负责对输入输出信号进行驱动和偏置，配置逻辑通过串行、并行总线可在系统可编程（ISP）方式下接收外部输入的配置数据并存入配置数据存储器；可编程互连网络是多输入、多输出的信号交换网络（一般利用多路模拟开关实现），它可在配置数据控制下完成各CAB以及输入、输出单元之间的电路连接和信号传递，CAB一般由运放或跨导放大器和外围可编程电容阵列、电阻阵列、开关阵列等共同构成，其中各元件的取值及相互连接关系等均受配置数据的控制，从而以多种CAB功能组态和元件参数组合来实现用户所需的多种电路功能。CAB的性能及功能组态和参数组合的数目是决定整个器件的可编程能力和应用范围的主要因素。
　　FPAA设计可应用于连续时间域和离散时间域。在离散域中，利用的是开关电容和开关电流技术，它处理的信号频率较低；而在连续域中，FPAA经常用于半导体、运算放大器、电流变换器等，这时，FPAA一般具有较宽的带宽，但参数变化范围小，即参数的编程能力较弱。可见，FPAA可广泛用于信号调理、模拟计算、仪器仪表、电路实验等小型化、低成本、低功耗电子系统的设计与实现等方面。

2 AN10E40芯片简介
　　AN10E40是Anadigm公司的代表性FPAA芯片，此芯片为80脚14mm²OFP 封装，采用5V直流电源供电，每个激活单元的功耗低于13mV。它的内部结构如图2所示，由20个可编程CAB、13个缓冲模拟I／O单元、两个独立的运算放大器、4个可编程时钟（最大频率为1MHz）和1个8bits可编程内部参考电压源组成。不同的CAB可通过连线相连并接至I／O块，每个CAB可驱动相邻的8个模块和一个I／O缓冲器，配置数据存储器中的比特流用于存储FPAA配置中所需的信息，图中每个CAB占3bits，可实现8种功能。用 AN10E40完成整流、检波、调整、比较及一阶滤波器等一般的信号处理只需一个CAB单元更复杂的（如高阶滤波器、信号发生器、脉宽调制器及均衡器等）功能也只需2至3个CAB即可。在利用片上存储器进行编程时，SRAM中的动态数据可从串行EPROM中自动装载（数字FPGA也以类似的方式进行配置）。

　　AN10E40芯片的频率范围取决于其实现的电路功能，运算放大器的带宽为5MHz，开关时钟频率一般不超过1MHz，整个矩阵所处理的信号频率可以从直流到500kHz，这使其很适合作为滤波器、测量仪器、控制设备在工业、医疗、自动化以及中低频通信系统中使用。
3 CAD工具AnadigmDesigner
　　利用AN10E40 FPAA设计一个模拟系统非常简单和方便，它不需要很多的电路知识、模拟仿真技巧或算术能力。而是通过一个AnadigmDesigner免费CAD工具来完成，该工具可以从www．anadigm．com站点上下载。这一套免费的CAD工具包括一个内置的仿真器，通过该仿真器可在阵列中放入虚拟信号产生器和示波器，然后通过信号产生器产生一些标准波形（正弦波，方波，三角波，锯齿波等），当然也可以产生脉冲输出和任意波形，另外，该软件还可接受以数字文本文件格式描述的任意线性波形，就象现在很多的数字存储仪表一样。
　　该软件同样也可以在标准的PC机上运行，它本身自带一个由50多个CAB构成的功能库，因而可以实现诸如放大、比较、积分、微分甚至是4阶滤波等基本功能。软件的操作类似于其它的CAD设计。如果要设计一个模拟电路，只需将所需的功能块从库中拖至设计窗口即可，然后进行相应的信号连接。每个功能块的性能参数可通过对话框进行设置。如果所选的信号连接路径不可用，软件会自动建议用户选择一条替代路径。另外，该软件还提供有可编程阵列时钟产生器和参考电压源及模拟接地装置。这种设计方法意味着使用者不必担心底层的电路实现。如果要做一个信号调整链，用户只需从库中选择一个加法放大器和一个滤波器，而接下来软件就会自动指定所需要的补偿修正值、增益及低通频率参数，并将矩阵单元互连以完成整套的设计仿真，而这一切只需大约10分钟的时间。
　　设计方案一旦通过了仿真器的功能检验，配置数据就可下载到FPAA的SRAM中，而且电路的实际功能还可通过标准测试仪器进行测试。利用这种＂电子面包板＂做模拟设计大大降低了开发时间与花费，也加快了用户产品的面市时间。

图3  IPmodules的配置及连接

4应用举例
　　现在Anadigm公司已将滤波器分析工具加入到它的免费FPAA配置软件FilterDesigner中，这一新的工具可用来制作高阶滤波器。如将其与信号调整电路相结合，还可以在一个芯片中实现完整的操作。若再与AnadigmDesigner模拟功能库中标准的二阶、四阶滤波器配置相结合，那么只需几分钟即可实现不同的滤波器（高通，低通，带通，带阻）设计。以下是一个低通滤波器设计的例子：
　　首先输入如表1所列的滤波器要求参数，然后再按表2设置相应的模块。进入软件界面后，可以按图3放置3个IPmodules，并进行连线。当加电之后，AN10E40的复位电路首先初始化其配置引擎，同时检测其ModePort的状态，然后将所设定的参数从串行PROM中下载到片上的配置SRAM 中，最后使配置引擎结束工作，这样芯片即可按照配置完成其特定的功能。