FPAA研究及其在信号调理电路中的应用

摘要

受现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）巨大成功的启发，一种现场可编程模拟阵列FPAA（Field Programmable Analog Array）的新型器件被开发出来。该类器件与FPGA类似，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，从而实现所需要的模拟电路功能和参数调节。与传统的模拟电路设计相比，利用FPAA，配以合适的EDA（Electronic Design Automation）工具使得模拟电路的设计更简单、方便、快捷，并且能缩短产品的开发周期。这种电路设计方式在工业自动化、信号处理、无线电通信、仪器仪表、航空航天、人工神经网络、机器人等多种领域得到了广泛的应用，具有广阔的应用前景。FPAA主要由可编程模拟核心单元CAB（Configurable Analog Block）、互连网络、输入输出单元、配置数据存储器等组成。它有多种实现技术，基于连续时间的跨导运算技术是实现FPAA的主流技术之一，也是本文采用的实现方法。而智能信号调理是信息科学的一个研究热点，基于FPAA的信号调理电路改变了传统信号调理电路功能单一、参数不可调的缺点，更能适应于当今复杂的工程需求。因此，本文对利用线性跨导可调POTA实现的FPAA进行了研究，并探讨了其在信号调理电路中的应用。
　　本研究主要内容包括：⑴针对OTA线性范围窄、跨导不可调的缺点，设计了基于信号衰减技术和交叉耦合技术的两种不同类型的线性范围更宽、跨导可调的POTA，并对二者进行了分析比较，得出后者性能更好，并将其作为基础单元应用于后续FPAA单元电路及FPAA阵列设计中。⑵FPAA一般通过可编程开关电容矩阵来实现参数的可调节，为了减少其中的寄生电容对电容矩阵的影响，设计了一种基于POTA的可编程电容倍增电路，它能够减少开关的使用，降低了寄生参数的影响，同时简化了电路结构，更易集成。并以此为基础结合POTA搭建了一个FPAA的核心单元CAB电路。⑶将上述设计的多个CAB电路用六边形互连网络、可编程开关以及开关共享技术连接起来，形成了一个FPAA阵列。与传统的FPAA阵列相比，该阵列结构简单，便于集成，且减少了开关数量和开关噪声的影响，提高了电路的性能。⑷采用设计的FPAA实现了一种新的信号调理电路。具体利用FPAA设计了增益可调电路、通用高阶滤波器、D/A转换器三种常见的信号调理电路来进行举例说明，并对它们进行了仿真与验证，结果表明在该FPAA阵列上可通过数字可编程来实现相对应的信号调理功能，有很强的灵活性和适应能力。

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第1章 绪 论

1.1 FPAA研究背景及意义

1.2 FPAA研究现状

1.3基于FPAA信号调理电路研究背景及意义

1.4基于FPAA信号调理电路研究现状

1.5本文的研究内容及结构

第2章 高线性度跨导可调OTA的设计

2.1基本源衰减OTA原理

2.2信号衰减OTA设计

2.3交叉耦合POTA设计

2.4三种OTA比较

2.5本章小结

第3章 基于POTA的可编程模拟阵列研究

3.1 可编程模拟阵列原理

3.2 电容倍增电路

3.3 六边形互连网络研究

3.4 CAB电路研究

3.5 可编程模拟阵列设计

3.6本章小结

第4章 FPAA在信号调理中的应用

4.1 增益可调电路

4.2 通用滤波器

4.3 D/A转换器

4.4 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果