基于数字控制线性可调OTA的FPAA

刘斌，李志军，曾以成，杨峻，张姣

1.湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭 411105

2.湘潭大学光电工程系，湖南湘潭 411105

基于数字控制线性可调OTA的FPAA

刘斌1，李志军1，曾以成2，杨峻1，张姣1

1.湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭 411105

2.湘潭大学光电工程系，湖南湘潭 411105

1 引言

现场可编程模拟阵列（FPAA）是近年来崭露头角的一类新型集成电路。该类器件可根据现场的实际需要，通过数字编程改变器件的内部配置来实现所需要的电路功能和参数调节，在工业自动化、卫星通信系统、航空航天、语音信号处理等领域有着广泛的应用前景[1-3]。

对FPAA的研究，国外开始于20世纪80年代。国内相对较晚，到目前为止，FPAA的研究和应用仍处于起步阶段，种类少且功能有限。现有的研究型芯片以美国JPL实验室的FPTA平台为代表，商业型芯片以美国Lattice公司的ispPAC系列和Anadigm公司的AN10E04平台等为代表。基于开关电容技术实现的FPAA，系统带宽受到时钟和采样频率的限制，如细粒度的FPTA工作频率仅为100 KHz左右，ispPAC系列的带宽在1 MHz左右，Anadigm公司最新的AN10E04也仅2 MHz[4]。同样，基于开关电流技术实现的CAB存在带宽窄和开关噪声大等固有缺点，且信号输入CAB单元之前必须经过“预滤波”，输出信号也必须经过“后滤波”（低通平滑滤波）才能联结至输出端，增加了电路的复杂度和功耗[5]。采用基于跨导运算放大器（OTA）实现的FPAA具有典型的电流模式电路的特点，可以提高电路的线性度，展宽电路的频带宽度，降低电源电压。但遗憾的是基本OTA的跨导值gm与偏置电流的平方根成正比，不能实现线性可调[6-7]。

在集成工艺中，电容一般采用MOS级间电容实现，现有的可编程电容矩阵需要大量的MOS阵列和开关阵列来实现电容的调节，且CMOS传输门本身的寄生电容对可编程电容的影响很大[8-9]。另外，在可编程互连网络的拓扑结构方面，现有的两种拓扑结构在可编程能力和可编程开关数量方面存在不可调和的矛盾：局部连接开关数量少，编程控制能力相对较弱，实现的功能相对也较少；全局连接虽然实现的功能较多，但开关噪声对电路的性能影响较大[10]。

针对上述研究中的不足，本文采用差分式POTA为核心单元电路设计出一款低功耗、高性能的FPAA。与同类电路[4-10]相比，提出的FPAA电路具有以下优点：

（1）采用电流模式技术，提高电路的线性度，展宽电路的频带宽度，降低了电源电压和功耗；

（2）采用设计的电容倍增电路取代通用的电容矩阵，减少了寄生电容对电路性能的影响；

（3）采用六边形内部连接网络的拓扑结构和开关共享技术，抑制了开关噪声对电路性能的影响。

2 现场可编程模拟阵列设计

2.1 差分式数字控制线性可调跨导运算放大器（POTA）

图1为差分式数字控制线性可调跨导运算放大器，它由2个差分跨导电路（一个NMOS差分跨导电路和一个PMOS差分跨导电路），1个AB电流镜和1个可编程电流镜（Programmable Current Mirror Array，PCMA）组成，其中电流IBB为AB电流镜的偏置电流，IB为PCMA基准电流，Δνin=νin+-νin-为输入电压，Iout+为正向输出电流，Iout-为反向输出电流。其工作原理与文献[11]中提出的DL-OTA相同，所不同的是，这里采用PCMA代替DL-OTA中的电流分配网络（CDN）。

n位PCMA电路如图2所示。其中，IB为基准电流，由n组开关Si(i=0，1，…，n-1)来实现对输入电流Iin的控制。当开关Si闭合时，ai=1；当Si断开时，ai=0。忽略开关Si的非理想特性，则输出电流Iin为：

图1 差分式数字控制线性可调OTA结构及符号

图2 可编程电流镜阵列

从式（2）可以看出，POTA的跨导值(gm)与PCMA的电流增益α和基准电流IB均成线性关系，当保持AB电流镜的偏置电流IBB和PCMA的基准电流IB恒定时，通过调节PCMA的电流增益α即可实现跨导gm的线性调节。在本设计中，AB电流镜的偏置电流IBB设置为100 μA，PCMA的基准电流IB设置为10 μA。由文献[11]IB与IBB的限制关系（即|Iin|≤2IBB）可知，PCMA只需取5位控制字即可满足要求（根据式（1）可知5位PCMA的最小和最大输出电流分别为10 μA和310 μA，最小调节步长为10 μA）。表1给出了该POTA的仿真结果。

表1 差分式数字控制线性可调OTA仿真结果

2.2 可编程电容倍增器

为了减少寄生电容对电路性能的影响，采用可编程电容倍增器（Programmable Capacitance Multiplier，PCM）取代通用电容矩阵。设计的基于POTA的可编程电容倍增器如图3所示，由3个POTA和1个接地电容C组成，其中POTA1和POTA3为单端输出，POTA2为三端输出。由图3可得：

图3 电容倍增器

从上式可以看出，提出的电路可以等效为一个电容倍增器，其等效容值为：

结合式（3）～（6）可得电路的等效输入阻抗为：

将式（2）代入上式，可得：

由式（9）可看出，提出的电容倍增器的等效容值与接地电容C成线性关系，通过改变PCMA的电流增益α1和α3的比值即可实现对其的调节。为使调节起来更加方便，将其中一个电流增益固定而调节另一个。在本设计中，将电流增益α2和α3均设置为常量1（可通过不接PCMA模块实现），接地电容C设置为5 pF，通过调节α1的大小来确定PCM的等效容值。为确保设计的PCM能获得一个较大的集成电容，选择10位的PCMA来调节POTA1，从而该PCM的等效电容CEQ的最小和最大有效值分别为5 pF和5 115 pF，最小调节步长为5 pF。

表2为电容倍增器随电容增益(Km)改变时，所等效的电容值与理论值的偏差。由表2可看出，当电容增益在1～1 000倍内改变时，误差不超过2.2%。

表2 电容倍增器在不同倍乘增益时所取得的电容值与理论计算值的偏差

用仅由3个POTA和1个接地电容C实现的PCM取代通用的电容矩阵，将具有以下优点：（1）扩大了集成电容的调节范围，且调节方便；（2）减少了寄生电容对电路性能的影响，提高了集成度，减小了芯片的面积。

2.3 可重构模拟单元

可重构模拟单元（CAB）是可重构模拟电路中的基本功能单位，基于POTA的可重构模拟单元结构如图4所示，由1个主POTA，1个PCM和可编程开关组成。主POTA进行信号放大，PCM实现电容编程。CAB的参数设计为：

图4 基于差分式线性可调OTA的CAB结构图

（1）采用5位的PCMA控制主POTA，PCMA的基准电流IB取10 μA。由式（1）可知该PCMA的最小和最大输出电流分别为10 μA和310 μA，最小调节步长为10 μA。

（2）采用10位的PCMA控制PCM中的POTA1，POTA2和POTA3通过不接PCMA模块实现其电流增益为1，接地电容C取5 pF。由式（1）知该PCM等效电容CEQ的最小和最大有效值分别为5 pF和5 115 pF，最小调节步长为5 pF。

（3）CAB电路配置需要27位控制字（2个PCMA：5+ 10=15位，Switches：12位）。CAB配置信息存储在移位寄存器中，通过写寄存器对CAB参数进行设定。

2.4 现场可编程模拟阵列

采用六边形互连网络拓扑结构的可编程模拟阵列，如图5所示[12]。设阵列规模为4×7，包含28个CAB单元和18个I/O端口。

图54 ×7可重构模拟阵列

（1）互连网络结构描述

CAB单元电路（见图4）内部12个可编程开关及其所在互连导线在互连网络中所起的作用为：

①S1～S4，对输入输出主POTA的信号起通断和反相作用；

②S5，控制CAB内部信号自反馈；

③S6～S11，控制CAB之间信号传输，也可复用为控制CAB内部信号自反馈；

④S12，控制主POTA与可编程电容倍增器之间的通断。

（2）输入输出端口规则

22 个端口的输入输出特性由实际被重构电路的布局结构所决定，所有端口在一定情况下可灵活复用；正负特性由主POTA确定，即与主POTA正输入端相连接的为正端口，反之为负端口。

（3）配置数据长度分析

每个可编程开关需1 bit配置控制位。图5中m×n可重构模拟阵列(m≥1，n≥1)，从左到右看，每列m个CAB与右侧相邻列的CAB共用(2m-1)个可编程开关，n列规模则共用(2m-1)×(n-1)个；从上往下看，每列m个上下相邻CAB共用(m-1)个开关，n列规模则需(m-1)×n个。则配置位长L为：

L=27mn-(2m-1)×(n-1)-(m-1)×n（10）

3 应用实例及结果分析

3.1 可调谐六阶巴特沃斯通用滤波器

为了验证电路的正确性，采用提出的FPAA电路设计了一个可调谐六阶巴特沃斯通用滤波器[13]。如图6所示，该滤波器由13个POTA和6个电容组成，这里电容用PCM代替。

由文献[13]，任意的电流模式滤波器的传输函数可以描述为：

根据POTA的端口特性可以求出图6电路的传递函数：

图6 六阶巴特沃斯通用滤波器

其中τi为积分器的时间常数，Ki为POTA的跨导比例系数，可以分别表示为：

取fP=1 MHz，令K6=K5=K4=K3=K2=K1=1（通过设置13个POTA的PCMA的电流增益α=10实现，即Iin=100 μA，对应的控制字为01010），由式（15）可得6个电容的值分别为：

3.2 仿真结果分析

利用PSPICE软件，采用台积电TSMC 0.5 μm CMOS工艺参数[14]，搭建了4×7规模阵列的MOS管级仿真电路。设置电源电压VDD=-VSS=1.5 V，POTA中AB电流镜的偏置电流IBB=100 μA，PCMA的基准电流IB=10 μA，接地电容C=5 pF，可编程开关采用压控型开关模型模拟。静态时，通过仿真测试单个CAB的静态功耗仅为9.32 mW。

对于图6的六阶巴特沃斯通用滤波器，设置13个POTA的PCMA的电流增益α均为10（即Iin=100 μA，对应的控制字为01010），并设置6个PCM的PCMA的电流增益α分别为1，2，3，5，8，15，即CEQ6=5 pF，CEQ5=10 pF，CEQ4=15 pF，CEQ3=25 pF，CEQ2=40 pF，CEQ1=75 pF，对应的控制字分别为0000000001，0000000010，0000000011，0000000101，0000001000，0000001111，对电路进行PSPICE仿真后的结果如图7所示。

图7 六阶巴特沃斯滤波器幅频响应

经测试低通滤器的截止频率为为98.97 KHz，高通滤波器的截止频率为1.03 MHz，带通滤波器的中心频率为1.02 MHz。图8为六阶巴特沃斯带通滤波器在13个POTA的PCMA的电流增益α同时改变，或6个PCM的等效容值依据式（15）按比例同时变化时的幅频特性响应曲线。由图8可知，该带通滤波器的可调范围为9.15 KHz～1.76 MHz。

图8 可调谐六阶巴特沃斯带通滤波器幅频响应

4 结论

本文提出了一款新型的低功耗、高性能FPAA电路。CAB单元采用设计的差分式数字控制线性可调OTA，提高了电路的线性度和抗共模干扰能力，改善了电路的高频性能。使用设计的电容倍增器取代通用的电容矩阵，减少了寄生电容对可编程电容的影响。为了抑制开关噪声对电路性能的影响，采用了六边形内部连接网络的拓扑结构和开关共享技术。作为应用，将提出的FPAA电路重构了一个可调谐六阶巴特沃斯通用滤波器，通过调节相应开关的控制字可实现电路拓扑结构和参数的改变，从而实现不同的滤波类型和极点频率的调节。电路的PSPICE仿真结果与理论分析完全吻合。

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LIU Bin1,LI Zhijun1,ZENG Yicheng2,YANG Jun1,ZHANG Jiao1

1.College of Information Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,China
2.Department of Optoelectronic Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,China

A low-power,high-performance Field Programmable Analog Array（FPAA）based on digitally controlled linearly tunable operational transconductance amplifier（called as POTA）is proposed.Reconfigurable Analog Block（CAB）,which consists of the proposed POTA,can improve the performance of high frequency response and anti-interference ability for coping with common-mode noise in FPAA circuit.To reduce the influence of parasitic capacitance,a capacitance multiplier,which is used to replace the common capacitance matrix,is designed.By using the hexagonal interconnection network topology and the switch sharing technology,a better programmability is achieved,meanwhile,the number of programmable switches and switching noise are reduced.A tunable six-order Butterworth universal filter has been reconfigured with 4×7 FPAA as the application,its filtering type and pole frequency regulation can be tuned by changing the circuit topology or circuit parameters,respectively, which can be achieved by adjusting the control words of the corresponding switches.Pspice simulation results show that the proposed FPAA circuit is effective.

Field Programmable Analog Array（FPAA）;Reconfigurable Analog Block（CAB）;capacitance multiplier;hexagonal interconnection network topology

提出了一款基于差分式数字控制线性可调跨导运算放大器（POTA）的低功耗、高性能的现场可编程模拟阵列（FPAA）。可重构模拟单元（CAB）采用差分式POTA电路，提高了电路高频性能和抗共模干扰能力。为了减少通用电容矩阵中寄生电容对电路性能的影响，设计了一款电容倍增器。采用六边形互连网络拓扑结构和开关共享技术，使各CAB之间实现了较好的可编程能力，同时减少了可编程开关数量及开关噪声对电路性能的影响。作为应用，在4×7阵列结构上重构实现了一个可调谐六阶巴特沃斯通用滤波器，通过调节相应开关的控制字可实现电路拓扑结构和参数的改变，从而实现不同的滤波类型和极点频率的调节。电路的性能通过Pspice仿真得到了验证。

现场可编程模拟阵列；可编程模拟单元；电容倍增器；六边形互连网络拓扑结构

A

TN432

10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0242

LIU Bin,LI Zhijun,ZENG Yicheng,et al.FPAA based on digitally controlled linearly tunable OTA.Computer Engineering and Applications,2013,49（19）：49-53.

国家自然科学基金（No.61176032）；湖南省重点学科资助项目。

刘斌（1987—），男，硕士，主要研究方向为集成电路设计与应用；李志军（1973—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究领域为电流模式电路和数模混合集成电路；曾以成（1962—），男，教授，博士生导师，研究领域为非线性电路，混沌信号处理，语音信号处理。E-mail：liubin_1014@yahoo.cn

2012-12-20

2013-03-11

1002-8331（2013）19-0049-05