用在系統可編程模擬器件實現雙二階型濾波器

　　在系統可編程模擬器件ispPAC10的結構由四個基本單元電路、模擬布線池、配置存儲器、參考電壓和自動校正單元以及ISP接口所組成，如圖1所示。器件內含60個有源和無源器件，用5V單電源供電。基本單元電路稱為PAC塊(PACblock)，它是由兩個儀表放大器和一個輸出放大器再配以電阻、電容構成一個真正的差分輸入、差分輸出的基本單元電路，如圖2所示。所謂真正的差分輸入、差分輸出是指每個儀表放大器有兩個輸入端，輸出放大器的輸出也有兩個輸出端。電路的輸入阻抗為10⁹Ω，共模抑制比為69dB，增益調整范圍為－10～＋10dB。PAC塊中電路的增益和特性都可以用編程的方法來改變，采用一定的方法，器件可配置成1～10000倍的各種增益。輸出放大器中的電容C_F有128種值可供選擇。反饋電阻R_F可以斷開或連通。器件中的基本單元可以通過模擬布線池(Analog Routing Pool)實現互聯，以便實現各種電路的組合。

　　每個PAC塊都可以獨立地構成電路，也可以采用級聯的方式構成電路以實現復雜的模擬電路功能。圖3表示了兩種不同的連接方法。其中，(a)表示各個PAC塊作為獨立的電路工作；(b)為四個PAC塊級聯構成一個復雜的電路。利用基本單元電路的組合可構成放大、求和、積分、濾波等電路。例如，構成雙二階有源濾波器和梯型濾波器，且無需在器件外部連接電阻、電容元件。

2 雙二階型濾波器的實現
　　這里主要敘述如何用在系統可編程模擬器件實現濾波器。通常用三個運算放大器便可以實現雙二階型函數的電路。雙二階型函數能實現所有的濾波器函數，如低通、高通、帶通、帶阻等。雙二階函數的表達式如下：
　　
　　式中，m＝1或0，n＝1或0。
　　雙二階函數電路的靈敏度相當低，電路容易調整。另一個顯著特點是只需附加少量的元件就能實現各種濾波器函數。首先討論低通函數的實現，低通濾波器的轉移函數如下：
　　
　　上式又可寫成如下形式：
　　

　　最后一個等式的方框圖如圖4所示。

　　不難看出方框圖中的函數可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來實現。把各個運算放大器電路代入圖4所示的方框圖即可得到圖5所示的電路。

　　然而現在已不再需要用電阻、電容、運放搭電路和調試電路了。利用在系統可編程器件可以很方便地實現此電路。ispPAC10能夠實現方框圖中的每一個功能塊。PAC塊可以對兩個信號進行求和或求差，K為可編程增益。因此三運放的雙二階型函數的電路用兩個PAC塊就可以實現。在開發軟件中使用原理圖輸入方式，把兩個PAC塊連接起來，即可組成雙二階濾波器，電路如圖6所示(電路中把k₁₁、k₁₂、k₂₂設置成＋1，把K₂₁設置成－1)。

　　電路中的C_F是反饋電容，Re是輸入運放的等效電阻。其值為250kΩ。兩個PAC塊的輸出分別為V01和V02。可以分別得到兩個表達式，第一個表達式為帶通函數，第二個表達式為低通函數。即
　　
　　根據上面給出的方程便可以進行濾波器設計了。在系統可編程模擬電路的開發軟件PACDesigner中含有一個宏，專門用于濾波器的設計，只要輸入f0，Q等參數，即可自動產生雙二階濾波器電路，設置增益和相應的電容值。開發軟件中還有一個模擬器，用于模擬濾波器的幅頻和相頻特性。