基于ispPAC20的单片集成压控振荡器设计

中州大学工程技术学院 时 伟 黄传金

1.引言

在实际应用电路设计中，压控振荡器VCO（Voltage Controlled Oscillator）通常是系统的关键功能单元电路，广泛应用于高噪声环境中的FM频率调制电路，频率合成器及锁相环电路。

本文介绍了一种基于在系统可编程模拟芯片ispPAC20的单片集成VCO的设计方法。将传统分立元件构成的模拟电路以高集成度的精密模拟电路设计集成于单块芯片上，取代了由若干分立元件或传统ASIC芯片所能实现的功能，具有开发速度快，成本低，可靠性高与保密型强的特点。ispPAC20（in-system Programmable Analog Circuit）是美国Lattice半导体公司推出的可编程产品，该芯片具有在系统可编程技术的优势和特点，电路设计人员可通过开发软件在计算机上快速、便捷地进行模拟电路设计与修改，对电路的特性可进行仿真分析，然后用编程电缆将设计方案下载到芯片当中。同时还可以对已经装配在印刷线路板上的ispPAC20芯片进行校验、修改或者重新设计。其开发软件为PAC Designer。

2.ispPAC20的芯片结构

ispPAC20芯片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、自校正单元、模拟布线池和ISP接口等单元电路组成，其芯片内部结构如图1所示。

其中，两个比较器CP1和CP2为可编程差分输入形式，当同相输入电压相对反向输入电压为正时，比较器的输出为高电平，反之为低电平。比较器CP1的输出可编程为直接输出或以PC为时钟的寄存器输出两种模式，且CP1和CP2的输出端CP1OUT和CP2OUT可通过窗口控制在WINDOW端输出信号，窗口控制可编程为异或操作（XOR）模式或触发器操作（Flip-Flop）模式。

图1 ispPAC20内部结构

PACblock1由两个仪用放大器IA1和IA2、一个输出放大器OA1、反馈电阻和电容构成差分输入和输出的基本单元电路。其中，仪用放大器IA1的输入端连接一个端口选择器，并通过芯片外部引脚MSEL来控制；当MSEL分别为0和1时，端口a和b分别连接至IA1的输入端。IA1和IA2的整数增益调范围在-10～+10之间，电路输入阻抗为109，共模抑制比为69dB。输出放大器OA1中的反馈电阻RF可以编程为连通或断开状态，电容C有128种值供编程选择。芯片中各基本单元通过模拟布线池实现互联，以组成复杂模拟电路。

PACblock2与PACblock1的内部结构基本相同，但IA4本身可编程的负整数增益取值区间为[-10，-1]，同时对IA4设有极性控制端（Polarity Control）以控制其增益选择。极性控制端可被编程为四种工作模式：固定模式、PC外接模式、触发器模式和CP1OUT连接模式，控制方式如下：

（1）固定模式：IA4增益范围为[-10，-1]；

（2）PC外接模式：通过芯片外部引脚PC来控制增益范围，PC=1对应[-10，-1]，PC=0对应[1，10]；

（3）触发器模式：需同时编程比较器窗口输出控制端为触发器模式，极性控制端通过内部通道连接至WINDOW端口，以控制IA4增益范围；

（4）CP1OUT连接模式：极性控制端通过内部通道连接至CP1OUT端口，以控制IA4增益范围。

图2 压控振荡器的实现电路

图3 VCO对应电路波形

图4 单端输入接口电路

DAC单元是一个8位电压输出的数字模拟转换器。接口方式可自由选择为8位并行方式、串行JTAG寻址方式、串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据的总长度为8为，D0为数据的首位，D7处于数据的末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与芯片内部的比较器或仪用放大器相连，也可以直接输出。用户可通过查询芯片说明的编码数据进行编程。

另外，配置存储器用于存放编程数据，参考电压和自校正模块完成电压分配和校正功能。

3.压控振荡器电路的实现

以ispPAC20芯片构成单片集成压控振荡器的电路内部连接，如图2所示。在PACblock2中，IA4的输入、增益和PC端分别编程至IN2、-1和触发器模式，反馈电阻编程为开路，以构成积分电路；比较器CP1和CP2连接为窗口比较器，阈值控制由可编程的DAC单元或参考电压提供，WINDOW输出端和CP1的输出分别编程为触发器模式和直接输出模式；按照这种方式编程后，WINDOW输出端将自动地通过内部通道连接至IA4的极性控制端。

电路工作时，输入电压连接至IN2，周期性方波信号在WINDOW端输出，其工作原理为：当极性控制端PC=0时，IA4的增益为正值，积分器进行正向积分运算，OA2的输出电压Vout2开始线性上升，当Vout2的值超过窗口比较器的上限阈值电压1.5V时，CP1输出高电平，CP2输出低电平，使输出端触发器置位操作，WINDOW端输出1；通过内部通道反馈，使得PC=1，从而IA4的增益变为负值，使积分器开始反向积分，OA2的输出电压开始下降，当Vout2的值小于下限阈值电压-1.5V时，使触发器复位操作，WINDOW端输出0，积分器再次开始正向积分。如此反复，WINDOW端的状态不断翻转，输出方波电压，同时在OA2端输出三角波电压Vout2。对应波形如图3所示。

4.单端输入接口电路设计

许多应用电路系统中通常采用单端接入的方式，而ispPAC20的输入采用全差分的形式，为了能与其他单端电路互联，下面设计了单端输入时对应的接口电路，如图4所示。选择外接电阻R1和R4为100K，R3和R4为150K，则可以将单端输入信号0至5V电压转换为差分输入0至+3V电压以驱动VCO工作。单端输入时，0V电压对应最低频率，5V对应最高工作频率。

5.实验分析

对目标芯片ispPAC20的编程可通过工具PAC Designer实现，实验数据表明，在差分输入电压取值于（0V，+3V]的范围内，电路振荡频率的范围为[1kHz，30kHz]，振荡频率与控制电压能保持良好的线性关系，保持较高的精度。

影响该压控振荡器频率范围的因素主要有比较器阈值电压、积分电容和放大器增益。低频端拓展，可通过增加比较器阈值电压来实现；通过减小积分电容和增加放大器增益可缩短积分时间，从而实现高频端拓展。

6.结束语

本文介绍了一种基于在系统可编程模拟芯片ispPAC20的单片集成压控振荡器的设计方法，具有开发速度快、可靠性高、灵活性高等优点，同时给出了单端输入接口电路的设计方法。实验数据表明，该设计电路能正常工作，具有良好的线性度，在中低频范围内有灵活广泛的应用和参考价值。

[1]陈恒.在系统可编程模拟电路ispPAC[J].电子与自动化,2000,2:1-2.

[2]华成英.在系统可编程模拟器件简介[J].电气电子教学学报,2001,23(5):1-2.

[3]Lattice Semiconductor Co.ispPAC handbook[CD].Version 1.1,1999.