第一章  ispPAC简介
1999年11月，Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路(In-System -Programmability Programmable Analog Circuits,以下简称ispPAC)，为电子设计自动化(EDA)技术的应用开拓了广阔的前景。与数字在系统可编程大规模集成电路(ispLSI)一样，ispPAC允许设计者使用开发软件通过计算机对模拟电路进行设计、修改、仿真，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。ispPAC可实现以下三种功能：
(1) 信号调理：对信号进行放大、衰减、滤波。
(2) 信号处理：对信号进行求和、求差、积分运算。
(3) 信号转换：把数字信号转换成模拟信号。
目前已推出了五种芯片:ispPAC10，ispPAC20，ispPAC30，ispPAC80和ispPAC81。
ispPAC的开发软件为PACDesigner，软件主要特征：
(1) 设计输入方式：原理图输入；
(2) 模拟仿真：测试电路的幅频和相频特性；
(3) 支持器件：ispPAC10、ispPAC20、ispPAC30、ispPAC80、ispPAC81；
(4) 内含用于低通滤波器设计的宏；
(5) 能将设计直接下载；
一、ispPAC20的结构
在系统可编程模拟电路提供三种可编程性能：
(1) 可编程功能：具有对模拟信号进行放大、转换、滤波的功能。
(2) 可编程互联：能把器件中的多个功能块进行互联，能对电路进行重构，具有百分之百的
  电路布通率。
(3) 可编程特性：能调整电路的增益、带宽和阈值。
ispPAC器件可反复编程，编程次数可达1万次以上。高集成度、高精确度的设计集于一片ispPAC器件中，取代了由许多分立元件组成所实现的电路功能。
ispPAC20器件由两个基本单元电路PAC块、两个比较器、一个8位的D/A转换器、配置存储器、参考电压、自动校正单元和isp接口所组成。其内部结构框图和内部电路如下图1.1、1.2所示。
图1.1    ispPAC20内部框图
图1.2  ispPAC20内部电路
基本单元电路称为PAC块(PACblock)，它由两个仪用放大器（集成仪表用放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大）和一个输出放大器所组成，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。所谓真正的差分输入、差分输出是指每个仪用放大器都有两个输入端，输出放大器的输出也有两个输出端，图1.3所示为ispPAC中的PAC块。
图1.3    ispPAC中的PAC块(PACblock)
电路的输入阻抗为109，共模抑制比为69db，增益调整范围为－10倍至＋10倍。PAC块中电路的增益和特性都可以用可编程的方法来改变，采用一定的方法器件可配置成1至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，以便实现各种电路的组合。
每个PAC块既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。下图1.4表示了两种不同的连接方法。其中1.4(a)表示各个PAC块作为独立的电路工作； 1.4(b)为二个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进行放大、求和、积分、滤波，可以构成低通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。
(a) (b)
图1.4    ispPAC20中不同的使用形式
DACPACell
ispPAC20中有一个8位电压输出的DAC。接口方式可自由选择为：
⑴8位的并行方式；
⑵串行JTAG寻址方式；
⑶串行SPI寻址方式；
在串行方式中，数据总长度为8位，D0处于数据流的首位，D7为最末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与器件内部的比较器或仪用放大器相连，也可以直接输出。无论采用串行还是并行的方式，DAC的编码均为以下表格所示。
DAC输出对应输入的编码
多路输入控制
ispPAC20中有两个PAC块，它有一个多路输入控制端。通过器件的外部引脚MSEL来控制。当MSEL为0时，输入信号从a连接至IA1块；MSEL为1时，b与IA1vs编程软件相连接。
 
图1.5 ispPAC20中的PAC块
极性控制
ispPAC20中IA1，IA2，IA3增益调整范围为－10至+10， IA4的增益调整范围为－10至－1。如IA4要得到正的增益，只需把差分输入的极性反向即乘以－1就行了。这可通过外部引脚PC来控制IA4的增益极性。PC引脚为‘1’时，增益调整范围为－10至－1；PC引脚为‘0’时，增益调整范围为＋10至＋1。图1.6为ispPAC20的引脚图。
比较器
ispPAC20中有两个可编程、双差分比较器。比较器的基本工作原理与常规的比较器相同，当同相输入端电压相对与反相输入端为正时，比较器的输出为高电平，否则为低电平。比较器还有一些可选择的功能。
图1.6    ispPAC20引脚图
二、PAC的接口电路
模拟信号输入至ispPAC器件时，要根据输入信号的性质考虑是否需要设置外部接口电路。这主要分成三种情况：
(1) 若输入信号共模电压接近Vs/2，则信号可以直接与ispPAC的输入引脚相连。这是因为ispPAC20是单电源供电，只能接收0 ~ Vs（芯片的工作电源Vs=5V）的信号，故Vs/2恰为中间点，相当于一般交流信号的零位。
(2) 倘若信号中未含有这样的直流耦合偏置，那么需要有外部电路。Vse为外部信号输入，Vref引脚的输出为2.5V，在实验板上提供。如图1.7所示。
图1.7    直流耦合偏置电路
(3) 倘若是交流耦合，外加电路如图1.8所示。此电路构成了一个高通滤波器，其截止频率为1/(2RC)，电路给信号加了一个直流偏置。电路中的Vref可以用两种方式给出。
a. 直接与器件的Vref引脚相连时，电阻最小取值为200K；
b. 采用Vref缓冲电路，电阻最小取值为600（此电路不常用）。
图1.8    具有直流偏置的交流耦合输入
三、ispPAC20端口的输入、输出方式——差分方式
1．什么是差分信号：
差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，系统‘地'被用作电压基准点。当‘地'作为电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。
另一方面，差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。我们用一个方法对差分信号做一下比喻，差分信号就好比是跷跷板上的两个人，当一个人被跷上去的时候，另一个人被跷下来了，但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推，正值可以表示左边的人比右边的人高，而负值表示右边的人比左边的人高。‘0’表示两个人都是同一水平。如下图1.9所示
应用到电学上，这两个跷跷板用一对标识为V+ 和V- 的导线来表示。当V+ >V-时，信号定义成正极信号，当V+ < V-时，信号定义成负极信号。
图1.9  用跷跷板表示的差分信号
图1.10  差分信号波形和单端等价
图1.10差分对围绕摆动的平均电压设置为2.5V。当该对的每个信号都限制在0~5V振幅时，偏移该差分对会提供一个信号摆动的最大范围。当用单一的5V电源操作时，经常就会出现这种情况。
    当不采用单端信号而采取差分信号方案时，我们用一对导线来替代单根导线，增加了任何相关接口电路的复杂性。那么差分信号提供了什么样的有形益处，才能证明复杂性和成本的增加是值得的呢？
使用差分信号的好处是：
⑴控制‘基准'电压，容易识别小信号。
在一个以‘地’做基准、单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统内‘地'的一致性。信号源和信号接收器距离越远，它们局部‘地’的电压值之间有差异的可能性就越大。而差分信号由于在二个输入端同时叠加噪声，所以在很大程度上就与‘地'的精确值无关。
⑵对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。
一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的EMI还要少。
⑶在一个单电源系统，能够从容精确地处理‘双极'信号。
为了处理单端、单电源系统的双极信号，我们必须在‘地’和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，就不需要这样一个虚地，能使我们处理和传播双极信号有一个高逼真度而无须依赖虚地的稳定性。
2．ispPAC20的输入、输出端口的差分工作方式：
在ispPAC20芯片中，采用的是电压差分输入的方式即每一个输入端口都有两个输入端口，如IN1有IN1+和IN1-。电压差分方式就是两个差分输入端口的差，如IN1的实际输入电压就等于IN(+)—IN(-)，实验板上都有两个输入端口。
对于输出端口：如果在PACblock的一个引脚（比如IN1+）输入增益为1的1Vp-p信号，从相关的OUT引脚（比如OUT1+）会观察到0.5Vp-p的输出。这是因为PACblock接受了单端输入信号，并把它转换成一个全差分输出。同样观察另一个输出引脚（OUT1-），你也会看到一个极性相反的0.5Vp-p的输出信号。因是差分对，输出的实际大小OUT＝OUT+ —OUT－，结果仍为1Vp-p信号，这点与输入信号是完全相同的，。如图1.11所示。
图1.11  一个PACblock把一个单端信号分割成一对平衡信号
3．输入信号的耦合及其接口电路的分析：
    PAC的接口电路，输入有直流耦合和交流耦合两种方式。实验中，我们一律采用直流耦合。
输入端口的直流耦合的接线方式如前图1.7所示，耦合电路连接所需的电阻在实验板上提供。将R1、R2都选200k，通过计算得到Vin＝1/2×Vse＋1/2×Vref（Vref是ispPAC20的一个输出端口，实验板上提供接线端口，输出电压恒定为2.5V，CMVin信号可以改变它，在实验中不要求，有兴趣的同学请参考相关手册），所以输入Vin=1/2×Vse＋1.25V，等于在输入信号上加了1.25V的直流偏置。

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