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低功耗开关电流型FPAA及应用设计

作　者: 任晋华
导　师: 王友仁
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 现场可编程模拟阵列(FPAA) 低功耗开关电流 CAB class AB栅极接地可编程FIR滤波器
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 3次
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内容摘要

现场可编程模拟阵列(Field Programmable Analog Array，FPAA)具有开发周期短、成本低、风险小、可重构等特点，在工业自动化、远程通信等领域具有广阔的应用前景。随着数模单片混合集成电路及便携式设备的发展，要求模拟集成电路尽可能地满足数字电路工艺，且具有较低的工作电压和功耗。开关电流技术与数字CMOS工艺完全兼容，具备低电压低功耗工作的潜力，有利于设计适用于混合集成电路的低功耗FPAA。本文详细分析了FPAA的基本原理及研究现状，研究了低功耗FPAA的设计方法，提供了FPAA的具体应用实例设计及实验结果分析，论文的主要工作有以下几方面：(1)设计了一种基于开关电流技术的FPAA，详细介绍了内部互连线网络和可重构模拟模块设计。可重构模拟模块主要由可编程反馈级、可编程输出级和开关电流存储电路组成，不仅可以重构实现不同的功能，而且可以实现具体电路参数的调节；阐述了反馈级和输出级的电路结构，并对其性能指标进行仿真实验分析；利用遗传算法对开关电流存储电路进行优化设计，并对优化所得参数进行仿真实验分析。(2)设计了低功耗开关电流型FPAA的典型应用实例，详细介绍了各个实例电路的工作原理及在FPAA上的重构实现方法。在PSPICE环境下构建了3×2规模FPAA的MOS管级细粒度仿真模型，分别对全周期延迟电路、双线性z变换积分器、反相阻尼放大器、巴特沃斯低通滤波器及可编程的五阶FIR滤波器进行仿真实验，验证FPAA的可行性。通过与现有开关电流型FPAA进行对比，分别从可以实现的功能、供电电压、可编程性、功耗和电路性能方面进行评估，结果表明本文设计的FPAA在保持较好电路性能的同时，具备低功耗工作能力。此外，进行了可重构模拟模块的物理实验验证，分析了所设计电路在实际应用方面的有效性和实现效果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-23
  1.1 FPAA 的研究意义  13-14
  1.2 FPAA 的技术研究现状  14-21
    1.2.1 FPAA 的基本概念  14-17
    1.2.2 FPAA 的国内外研究现状  17-19
    1.2.3 FPAA 技术难点与发展趋势  19-21
  1.3 本文的研究工作和结构  21-23
第二章低功耗开关电流型 FPAA 设计  23-45
  2.1 CAB 设计  23-42
    2.1.1 CAB 结构设计及功能分析  23-26
    2.1.2 开关电流存储电路设计  26-36
    2.1.3 可编程反馈级电路设计  36-39
    2.1.4 可编程输出级电路设计  39-42
  2.2 内部互连网络设计  42-44
    2.2.1 内部互连线寄生效应分析  42-43
    2.2.2 内部互连线设计  43-44
  2.3 本章小结  44-45
第三章 FPAA 应用实例设计  45-57
  3.1 全周期延迟电路  45-46
    3.1.1 全周期延迟原理电路设计  45-46
    3.1.2 FPAA 上重构实现的全周期延迟电路  46
  3.2 通用积分器  46-49
    3.2.1 通用积分器原理电路设计  47-48
    3.2.2 FPAA 上重构实现的通用积分器电路  48-49
  3.3 通用反相微分器  49-51
    3.3.1 通用微分器原理电路设计  49-50
    3.3.2 FPAA 上重构实现的通用微分器电路  50-51
  3.4 巴特沃斯低通滤波器  51-54
    3.4.1 巴特沃斯低通滤波器设计  51-53
    3.4.2 FPAA 上重构实现的三阶巴特沃斯低通滤波器  53-54
  3.5 可编程 FIR 滤波器  54-55
    3.5.1 可编程 FIR 滤波器原理电路设计  54-55
    3.5.2 FPAA 上重构实现的五阶 FIR 滤波器  55
  3.6 本章小结  55-57
第四章实验结果与分析  57-78
  4.1 全周期延迟电路  57-59
    4.1.1 全周期延迟电路功能验证  57-58
    4.1.2 全周期延迟电路性能分析  58-59
  4.2 反相阻尼放大器  59-62
    4.2.1 反相阻尼放大器功能验证  59-60
    4.2.2 反相阻尼放大器性能分析  60-62
  4.3 双线性 Z 变换积分器  62-65
    4.3.1 双线性 z 变换积分器功能验证  62
    4.3.2 双线性 z 变换积分器性能分析  62-65
  4.4 巴特沃斯低通滤波器  65-67
    4.4.1 三阶巴特沃斯低通滤波器功能验证  65-66
    4.4.2 三阶巴特沃斯低通滤波器性能分析  66-67
  4.5 可编程 FIR 滤波器  67-73
    4.5.1 五阶 FIR 滤波器系数序列的获取  67-68
    4.5.2 五阶 FIR 滤波器功能验证  68-72
    4.5.3 五阶 FIR 滤波器性能指标  72-73
  4.6 FPAA 功能与性能分析  73-74
  4.7 FPAA 物理实验研究  74-77
  4.8 本章小结  77-78
第五章总结与展望  78-80
  5.1 本文总结  78-79
  5.2 课题展望  79-80
参考文献  80-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

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