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ispPAC的接口电路设计
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Design Interface Circuit of ispPAC
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■上海莱迪思半导体公司 陈恒
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在系统可编程模拟电路（In System Progrmmable Analog Circuit， 简称 ispPAC )是Lattice公司推出的模拟可编程器件。目前主要有5种芯片：ispPAC10，20，30，80和81。通过开发软件PACDesigner可以设计各种模拟电路；调整电路的参数；实现模拟单元电路的联接，从而获得完整功能的模拟电路。在系统可编程模拟电路可用于工业自动化、电子测量、通信等领域。特别是器件的在系统可编程性能，只要把编程电缆将计算机的并行口和电路板联接起来，就可将电路设计下载至ispPAC中。设计模拟电路时，ispPAC的差分输入提供了很大的灵活性。它能与多种信号源接口。本文主要介绍如何设计ispPAC接口电路。
输入信号范围
要掌握设计ispPAC的接口电路，首先就要知道输入信号在器件的输入端Vin+和Vin-之间的允许范围。注意ispPAC系列中不同的型号有着不同的输入信号范围。除了在输入端的最小和最大允许电压之外，另外还有两个相关的电压：共模电压和差分电压。共模电压是指在两个输入端电压的平均值。差分电压是指在两个输入端电压的差值。信号的共模电压是非常重要的，因为它涉及到可以精确测量的差分信号范围。例如ispPAC10，共模输入范围在＋1V到＋4V之间。最大差分输入范围是
3V，此时共模电压在两个极限电压的中间，即2.5V。如果把共模电压(CMV)移至2V。那么就导致差分信号的范围减少至 2V。
与差分信号源的接口电路
ispPAC的差分输入使得器件能与平衡输出传感器直接相接。与ispPAC输入接口的关键是保证传感器的共模值在器件的允许输入范围。图1(a)为平衡输出信号源与ispPAC的接口电路。在电桥中所有的电阻都标称相等。共模电压是偏置电压的一半，2.5V。允许电桥的输出直接与ispPAC10相连。在图1(b)中，信号源是悬浮的，诸如动态麦克风，电感拾音器。在这个直流耦合例子中，信号源必须偏置在可接受的共模电压范围。可以通过由R1到R4的分压电路来设置偏置。VBIAS＝(5V
R4)/(R1+R4)。正负信号线通过R2和R3联至偏置电压。
图2所示的是电流传感器与ispPAC的接口电路。0－10A的电流输入使得0.1 检测电阻上的压降为0－1V。这个应用显示了差分信号处理的优越性。尽管也可采用其它的方法来进行处理，例如用单端放大器来检测在输入端电阻上的压降，假设电阻的接地端是真正的地。然而对于安培级的电流来说，这通常不能保证，以致产生较大的测量误差。采用图2所示的方法，通过检测两个电阻端的实际电压就能避免测量误差。当测量大电流时，电阻端的电压有可能超过ispPAC30能安全处理的范围。若输入电压低于－0.6V或超过＋5.6V，器件内的的输入保护二极管开始工作，分流电流至地或正电源。电阻R2和R3起保护作用，把大电流限制到毫安级。
与单端信号源的接口
尽管差分信号在电路设计中有很多优越性，仍然有许多模拟电路采用单端信号。ispPAC的差分输入端提供了很大的灵活性，也适用与单端输入信号接口。最简单的接口是如果单端信号落在ispPAC的共模范围。在这种情况下，直接把信号送入ispPAC差分输入端的一个端口，而另一个输入端接适当的参考电压。图3(a)适用于ispPAC10/20/80。输入信号范围在＋1V到＋4V范围之间。
使用ispPAC30时，电路的联接方式如图3(b)所示。因为对于ispPAC30来说共模输入范围包括地，因此可以把一端接地。在这个电路中，输入信号范围在0V到2.8V范围之内。
当系统由＋5V单电源供电时，经常要求电路能适应满摆幅信号，即0－5V范围。图4所示的接口电路允许ispPAC输入接受0－5V信号。图4(a)允许ispPAC10/20/80接受0－5V输入，通过接口电路后实际的电压输入范围是1－4V。图4(b)用于ispPAC30，通过接口电路实际的电压输入范围是0－2.5V。
与交流信号的接口
以上讨论的都是与直流信号的接口，设计模拟电路时，经常要处理时变的交流信号。典型的应用是用来驱动扬声器的音频功率放大器。在音频信号中有用的信息是在20－20KHz之间。信号的直流偏置不影响信号的内容。图6为只有信号的交流分量可以通过的接口电路。这个电路是一阶无源高通滤波器。C1阻止信号的直流分量，R1用来把信号的平均值偏置到2.5V。由于器件的VREF只有有限的电流驱动能力，因此R1的取值必须大于100K
。RL起输入端保护作用，以防电压迅速上升时产生的大输入电流。这个电阻的选取应考虑在电容的输入端可能出现的最大电压。这个电路是为ispPAC10/20/80而设计的。但是ispPAC30也可以使用此电路，只要把R1联接到合适的参考电压源。电路里的0.1
F的电容用于提供低的交流阻抗。因为这个电路是高通滤波器，在整个通带内不具有均匀响应。截止频率为F_{C}={1}\over{2 R_{1}C_{1}}，在接近直流处响应逐渐减小到零。
上面所述的电路允许输入信号的峰峰值限制在ispPAC的输入范围。可以构建一个交流耦合电路以便工作在更宽的范围。图6的交流耦合电路可使送入ispPAC10，20，80的输入信号峰峰值在30V到3V的范围。
电路中R1和R2构成了分压电路。电压增益为A_{V}={R_{1}}\over{(R_{1}+R_{2})}，R2起限流作用。
倘若输入是交流差分信号，接口电路如图7所示。此电路构成了一个高通滤波器，其截止频率为{1}\over{2 RC}，电路给信号加了一个直流偏置。电路中的VREFout可以用两种方式给出。直接与器件的VREFout引脚相连时，电阻最小取值为200K
；采用VREFout缓冲电路，电阻最小取值为600 。
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