一种基于开关电容技术FPAA的研究与设计

论文摘要

为了适应激烈市场竞争的需要,模拟电路设计者受FPGA的启发,打破了模拟电路全定制的传统开发流程,开发一种高速度、低成本、自动布局布线的现场可编程模拟阵列(FPAA:Field programmable analog arrays),开拓出一片模拟设计的新领域。可编程模拟单元CAB(Configurable Analog block)是FPAA的核心,它的灵活性使其可以编程实现丰富的模拟功能模块。客户通过对模块进行拖放、布局及连线等简单操作构建模拟信号处理系统,短时间内开发出高质量的模拟产品,并且可对功能模块参数进行多次重复动态调整,从而实现灵活的动态可重复现场编程。本论文围绕一种基于开关电容技术FPAA的研究与设计的题目,做了以下的工作:第一,介绍FPAA的概念和重要研究意义,分析国外研究和产业发展的现状,并且介绍FPAA未来发展的趋势和挑战;第二,分析和对比FPAA的若干主流设计技术:包括FPAA的基本原理,现场可编程的EDA设计流程,可编程数据存储等,并在此基础上阐明了本文基于开关电容技术FPAA的优势,给出了电路设计的总体框架图;第三,运用华虹0.35μm标准CMOS工艺,首先设计和实现FPAA的子模块,接着对全电路功能进行验证,最后给出了典型的二阶低通滤波器编程应用的实例。设计的主要子模块包括CAB模块(包括CAB结构及其内部的差分运放、可编程电容、布线资源、控制编码等等)、基准电压和电流偏置模块、系统时钟模块、配置电路模块等;第四,介绍了FPAA芯片版图设计的指导思想、方法、工具,完成该电路的版图设计及DRC、ERC、LVS等检查和验证。综上所述,本文在标准CMOS工艺上选用具有优势的开关电容技术完成FPAA芯片的电路设计和版图设计,并且给出了芯片编程配置的典型应用实例,已经为我国FPAA芯片研究与设计做出有益的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 FPAA的概念
• 1.2 FPAA的研究现状和未来发展的挑战
• 1.3 本文主要内容及安排
• 第二章 FPAA的基本原理
• 2.1 FPAA的基本原理和主流技术
• 2.2 FPAA的EDA设计开发流程
• 2.3 FPAA编程数据存储
• 2.4 FPAA芯片的总体设计方案与功能模块图
• 第三章 FPAA芯片电路的设计与实现
• 3.1 CAB模块的总体框架
• 3.2 CAB模块的子电路设计和实现
• 3.2.1 差分运算放大器的设计
• 3.2.2 可编程开关电容模块的设计
• 3.2.3 电容功能控制模式
• 3.2.4 CAB的配置编码定义和存储方式
• 3.3 系统时钟模块设计
• 3.4 配置电路模块设计与控制的实现
• 3.4.1 配置电路的功能
• 3.4.2 三种外部控制器件配置工作时序
• 3.5 基准电压与电流偏置模块设计
• 3.6 基于FPAA的二阶低通滤波器配置应用实例
• 第四章 FPAA版图设计
• 4.1 工艺与版图设计基本流程
• 4.2 版图设计方法与要点
• 4.3 FPAA电路版图设计
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果