Программируемые Аналоговые Интегральные Схемы

Производители и виды выпускаемых схем.
Первые ПАИС были изготовлены в июне 2000 года. Чип 6 мм х4 мм содержал 4х3 массива аналоговых модулей.
С 2000 года фирма Lattice Semiconductor выпускает программируемые аналоговые интегральные схемы (ПАИС) семейства ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) с программированием в системе.
ispPAC-10
ispPAC-20
ПАИС семейства ispPAC содержат:
• схемы последовательного интерфейса, регистры и элементы электрически репрограммируемой энергонезависимой памяти (EEPROM), обеспечивающие конфигурирование матрицы;
• программируемые аналоговые ячейки (PACcells) и состоящие из них программируемые аналоговые блоки (PACblocks);
• программируемые элементы для межсоединений (ARP - Analog Routing Pool).

Компания Fast Analog Solution предлагает такие микросхемы в серии TRAC. Фирма обозначает их как Field Programmable Analog Devices (FPAD).
Разработкой в области программируемых аналоговых схем занимаются также и ведущие российские компаний. Так, специалисты ОАО "НИИТТ и завод "Ангстрем" сосредоточили усилия на разработке и производстве аналого-цифровых БМК (базовых матричных кристаллов) типа "Руль" Н5515ХТ1, Н5515ХТ101, предназначенных для систем сбора данных, контроля и управления, для медицинской техники и контрольно-измерительной аппаратуры.

ПАИС компании Anadigm
Компания Anadigm выпускает ПАИС 2-го и 3-го поколения.
AN120E04, AN121E04, AN220E04, AN221E04 – ПАИС второго поколения, построенная по схемотехнике на переключаемых конденсаторах, обеспечивает широкую полосу частот обработки сигналов, низкий коэффициент гармоник и интермодуляционных искажений, возможность создавать практически любые схемы аналоговой обработки, снижая затраты на разработку и последующий редизайн изделий.

Достоинства:
Полностью дифференциальная архитектура
Дифференциальные входы и выходы
Низкое напряжение смещения в режиме прецизионного
входа
Встроенный регистр последовательных приближений
Функции линеаризации
Мультиплексор 4:1
Полоса частот 0 – 2МГц
Отношение сигнал/шум 100 дБ
Коэффициент гармоник -80 дБ
Корпус для поверхностного монтажа QFP-44
Напряжение питания +5В
Устойчивость к статическому напряжению 4000В
Области применения:
Схемы обработки сигналов датчиков
Комплексная фильтрация
Системы промышленной автоматики
Системы медицинской диагностики и мониторинга
Адаптивные схемы аналоговой обработки
Прецизионные схемы управления
Схемы ультра низкочастотной обработки сигналов
Линеаризация сигналов
Достоинства:
Динамическое переконфигурирование
Полностью дифференциальная архитектура
Дифференциальные входы и выходы
Низкое напряжение смещения в режиме прецизионного входа
Встроенный регистр последовательных приближений
Функции линеаризации
Мультиплексор 4:1
Полоса частот 0 – 2МГц
Отношение сигнал/шум 100 дБ
Коэффициент гармоник -80 дБ
Корпус для поверхностного монтажа QFP-44
Напряжение питания +5В
Устойчивость к статическому напряжению 4000В
Области применения:
Схемы обработки сигналов датчиков
Комплексная фильтрация
Системы промышленной автоматики
Системы медицинской диагностики и мониторинга
Адаптивные схемы аналоговой обработки
Прецизионные схемы управления
Схемы ультра низкочастотной обработки сигналов
Схемы управления модуляторов и приемников полупроводниковых лазеров
Линеаризация сигналов
AN120E04
Сравнительные характеристики
AN121E04

Достоинства:
Динамическое переконфигурирование
4 конфигурируемые ячейки ввода-вывода
8-разрядный АЦП последовательного приближения
Полностью дифференциальная архитектура
Дифференциальные входы и выходы
Низкое напряжение смещения в режиме прецизионного входа
Функции линеаризации
Мультиплексор 4:1
Полоса частот 0 – 2 МГц
Отношение сигнал/шум 100 дБ
Коэффициент гармоник -80 дБ
Корпус для поверхностного монтажа QFP-44
Напряжение питания +5 В
Устойчивость к статическому напряжению 4000 В
Области применения:
Схемы аналоговой обработки, программно управляемые в реальном
времени
Адаптивная фильтрация
Адаптивная аналоговая обработка для ЦСП
Адаптивные системы промышленной автоматики
Системы с авто калибровкой
Компенсация разбросов параметров компонентов систем
Прецизионные схемы управления
Схемы ультра низкочастотной обработки сигналов
Адаптивная линеаризация сигналов

Достоинства:
Динамическое переконфигурирование
4 конфигурируемые ячейки ввода-вывода
8-разрядный АЦП последовательного приближения
Полностью дифференциальная архитектура
Дифференциальные входы и выходы
Низкое напряжение смещения в режиме прецизионного
входа
Функции линеаризации
Мультиплексор 4:1
Полоса частот 0 – 2 МГц
Отношение сигнал/шум 100 дБ
Коэффициент гармоник -80 дБ
Корпус для поверхностного монтажа QFP-44
Напряжение питания +5 В
Устойчивость к статическому напряжению 4000 В
Области применения:
Схемы аналоговой обработки, программно управляемые в реальном
времени
Адаптивная фильтрация
Адаптивная аналоговая обработка для ЦСП
Адаптивные системы промышленной автоматики
Системы с авто калибровкой
Компенсация разбросов параметров компонентов систем
Прецизионные схемы управления
Схемы ультра низкочастотной обработки сигналов
Адаптивная линеаризация сигналов

Программируемые аналоговые интегральные схемы 3-го поколения
AN131E04/ AN231E04 Процессоры аналоговой обработки сигналов
Области применения:
Схемы аналоговой обработки, программно управляемые в реальном времени
Обработка ПЧ RFID считывателей
Адаптивная фильтрация и управление
Адаптивная аналоговая обработка для ЦСП
Адаптивные системы промышленной автоматики
Системы с авто калибровкой
Компенсация разбросов параметров компонентов систем
Прецизионные схемы управления
Схемы ультра низкочастотной обработки сигналов
Адаптивная линеаризация сигналов

Достоинства:
Динамическое переконфигурирование; Полностью дифференциальная архитектура 7 конфигурируемых ячеек ввода/вывода; Низкое напряжение смещения в режиме прецизионного входа – менее 50 мкВ; Буферные преобразователи несимметричных сигналов в дифференциальные; Функции линеаризации; Мультиплексор 4:1; Полоса частот 0 – 2 МГц; Отношение сигнал/шум 120 дБ; Коэффициент гармоник -100 дБ; Корпус для поверхностного монтажа QFN-44; Напряжение питания +3,3В; Устойчивость к статическому напряжению 4000 В

Обобщенная архитектура FPAA.

Архитектура ПАИС имеет простой и гибкий конфигурационный интерфейс. Он предназначен для работы как в автономном режиме, так и для связи с внешними SPI_ или FPGA EPROM_интерфейсами. В режиме FPGA EPROM после включения питания конфигурация из EPROM будет автоматически загружена в FPAA, и устройство сразу же начнет работать. Конфигурационный интерфейс также выполняет функцию связи FPAA с внешним микроконтроллером через SPI_порт в режиме ведомого устройства. С его помощью возможно наращивание количества ПАИС для создания больших систем аналоговой обработки

КОНФИГУРИРУЕМЫЕ АНАЛОГОВЫЕ БЛОКИ
обобщенная структура одной из ячеек матрицы КАБ.
Каждая ячейка содержит статические и динамические ключи. Динамические ключи управляются входными и тактовыми сигналами, а также логикой регистра последовательного приближения. Статические ключи определяют общие схемы коммутации блоков, значения ёмкостей конденсаторов и подключение входов.
Конфигурируемый аналоговый блок содержит также группу из восьми программируемых конденсаторов, каждый из которых может иметь относительное значение ёмкости от 0 до 255 единиц. Для элементов КАМ важно не абсолютное значение ёмкости, а соотношение между ними, которое выдерживается с точностью не меньше 0,1%.

Программное обеспечение.

AnadigmPID
– мощное средство для разработки замкнутых систем с обратной связью. Он позволяет разрабатывать регуляторы в любом сочетании, включая формы I, PI, PD, и PID. Основные входные параметры разработки - это коэффициенты усиления каждого из каналов регулятора. Данные разработки схемы контроллера автоматически и непрерывно передаются из AnadigmPID в AnadigmDesigner2.
По окончании разработки контроллера PID, дальнейшая его модификация может осуществляться стандартными средствами AnadigmDesigner2.

AnadigmFilter
– это мощный инструмент, позволяющий разрабатывать более сложно организованные фильтры, чем имеющиеся в базе стандартных КАМ. Стандартные библиотеки КАМ содержат лишь фильтры первого и второго порядков, в которых пользователь устанавливает только величины частоты среза, усиление и добротность. Стандартные библиотечные элементы фильтров могут быть сгруппированы в фильтры более высоких порядков, но для того, чтобы сделать это наиболее эффективно, необходимо использовать дополнительные справочные материалы по разработке фильтров и выполнять громоздкие вычисления вручную. В качестве альтернативы выступает инструмент AnadigmFilter, полностью

Входной сигнал
Выходной сигнал

АЧХ, полученная в ППП «APRA-ЧГУ»
АЧХ, полученная в AnadigmDesigner2

Таблица полученных результатов