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低功耗现场可编程模拟阵列的设计与应用研究

作　者: 刘斌
导　师: 李志军
学　校: 湘潭大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 现场可编程模拟阵列可编程模拟单元数字控制线性可调跨导运算放大器电容倍增器六边形互连网络拓扑结构
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 21次
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内容摘要

现场可编程模拟阵列（Field ProgrammableAnalogArray, FPAA）是近年来兴起的一类新型集成电路(integrated circuit, IC)，类似如现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA），该类器件可根据现场的实际需要，通过接收外部输入的配置数据相应地改变器件的内部连接和参数，从而实现所需要的电路功能。FPAA以其简捷、灵活等特点，在工业自动化、航空航天及神经网络等领域有广泛的应用前景。在集成电路设计中，数字电路部分凭借其功能强大的数字芯片和便捷的电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）开发工具，且只需考虑功耗和速度之间的折衷，设计起来相对简单；然而模拟电路部分由于涉及到功耗、速度、线性度、增益、信号摆幅、电源电压、带宽等多方面的折衷处理，且还要考虑噪声的影响，使得设计起来相当困难，这也是模拟电路设计一直没有取得突破性进展的主要原因。本文旨在设计一款低功耗现场可编程模拟阵列并探讨其应用。论文包括的主要内容有：(1)介绍了FPAA的研究背景及意义，分析了当前国内外的研究现状及发展趋势；(2)介绍了FPAA的基本原理，对目前实现FPAA的技术进行了一个分类,介绍了FPAA的设计方法；(3)运用CSMC0.5μm标准CMOS工艺，设计了FPAA的子模块，包括差分式数字控制线性可调OTA、可编程电容倍增器、可编程模拟单元及六边形互连网络，并对所有电路进行了仿真验证；(4)探讨了FPAA的应用，分析了这些应用实例的结构及工作原理，并利用PSPICE软件对它们进行了仿真分析；(5)基于CSMC0.5μm标准CMOS工艺完成了各主要单元电路和一个2×2阵列FPAA的版图设计。本文的研究工作受国家自然科学基金(61176032)资助。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 现场可编程模拟阵列的研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  9-13
    1.2.1 FPAA 的国内外研究现状  9-12
    1.2.2 FPAA 的发展趋势  12-13
  1.3 本文的研究内容和结构安排  13-15
第2章现场可编程模拟阵列原理、实现技术与设计方法  15-23
  2.1 FPAA 的原理  15-16
  2.2 FPAA 的技术分类及典型的实现技术  16-21
    2.2.1 FPAA 的技术分类  16-17
    2.2.2 FPAA 典型的实现技术  17-21
  2.3 FPAA 的设计方法  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章提出的 FPAA 结构及其实现  23-43
  3.1 差分式数字控制线性可调 OTA  23-34
    3.1.1 基本差分式 CMOS OTA  23-24
    3.1.2 差分式线性可调 OTA  24-27
    3.1.3 数字控制电路  27-28
    3.1.4 差分式数字控制线性可调 OTA  28-34
  3.2 基于数字控制线性可调 OTA 的电容倍增器  34-38
    3.2.1 电容倍增器原理  34-35
    3.2.2 基于数字控制线性可调 OTA 的电容倍增器  35-38
  3.3 基于数字控制线性可调 OTA 的可编程模拟单元  38-40
    3.3.1 CAB 结构设计  38-40
    3.3.2 CAB 参数设计  40
  3.4 六边形互连网络  40-42
    3.4.1 六边形互连网络特性分析  40-41
    3.4.2 六边形互连网络设计  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章应用实例  43-61
  4.1 单个 CAB 的应用  43-48
    4.1.1 可调 V/I 转换器  43-44
    4.1.2 可变模拟电阻  44-45
    4.1.3 积分电路  45-46
    4.1.4 一阶滤波器  46-48
  4.2 FPAA 的应用  48-59
    4.2.1 浮置式可变电阻  48-50
    4.2.2 可编程模拟回转器  50-51
    4.2.3 可编程电压放大器  51-53
    4.2.4 加法器  53-55
    4.2.5 可编程二阶滤波器  55-56
    4.2.6 通用滤波器  56-59
  4.3 本章小结  59-61
第5章版图设计  61-68
  5.1 版图设计基本流程  61-62
  5.2 版图设计工具平台  62
  5.3 版图设计方法  62-65
    5.3.1 匹配设计  62-63
    5.3.2 抗串扰设计  63
    5.3.3 寄生优化设计  63-64
    5.3.4 可靠性设计  64-65
  5.4 电路版图实现  65-67
    5.4.1 POTA 的版图实现  65-66
    5.4.2 PCM 的版图实现  66
    5.4.3 CAB 的版图实现  66-67
    5.4.4 2×2 阵列 FPAA 的版图实现  67
  5.5 本章小结  67-68
第6章总结与展望  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果  75

低功耗现场可编程模拟阵列的设计与应用研究

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