可编程门阵列 (FPGA) 的模拟补充器件分析

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首先，我们需要给出明确的定义。市面上现有许多可编程模拟]

相反，我所指的是现场可编程门阵列]

如今的]

图 1：Efinix 的 T4F81C FPGA 采用 SMIC 的 40 nm 工艺制造，1.1 V 时核心漏电流典型值小于150 µA。（图片来源：Efinix）

Efinix]

T4F81C]

• 采用 SMIC 的 40 nm 工艺制造
• 1.1 V 时核心漏电流典型值小于150 µA
• 提供高性能 I/O，支持 1.8 V、2.5 V 和 3.3 V 单端 I/O 标准和接口
• 提供灵活的片上时钟
• 具有标准 SPI 和 JTAG 接口等器件配置选项
  

<span]随着技术不断发展，供应商不断推出新型 FPGA，以解决日趋多样化的需求和应用，可如今却鲜有可编程模拟器件面市。

貌似可取，那么……？

<span]如此看来，或许也有必要推出类似具有大量未指定模拟功能的 IC。理论上，该器件可以为传感器接口、信号调理、滤波，甚至是主机处理器的 I/O 提供完整的模拟信号链（仅作为一个示例）。

<span]这种现场可编程模拟阵列 (FPAA) 甚至可以在 OEM 生产线上配置，以系列或家族的形式提供不同产品的所需功能，因此多种产品的 BOM 可以通用。此外，如果需要更改模拟链功能，即使不通过麻烦的印刷电路板流片亦可实现，毕竟生产流片通常会耽搁时间且具有不确定性。

<span]然而，事实却是工程设计界并不太关注这类可编程模拟器件。我于 2001 年文章中提及的供应商，有的倒闭，有的则被其他 IC 厂商收购。虽然这在业内属于正常现象，不必小题大做，但没有任何一家开发出占据市场主导地位的产品。

<span]在某种程度上，市面上仍有这类产品，只是相当低调。我鲜少听设计人员表示要选择可编程模拟器件作为信号链解决方案。

<span]

为何可编程模拟器件备受冷落？我认为，主要还是因为模拟电路不可避免的固有特性及其功能。

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例如，运算放大器和比较器等最基本的模拟器件，大多数供应商的产品组合中均提供了数十甚至数百种这类器件（请参见“令人头昏脑胀：为何会有如此多的运算放大器呢？”）。

<span]

原因在于每种型号都需要通过设计、制造工艺和测试/微调来作调整，从而提供独特的性能属性组合。例如，一款运算放大器可能具有出色的低噪声性能，但相较于另一款噪声较高的同类产品，失调漂移则偏大。

<span]

关键在于多方权衡

设计人员必须评估权衡，决定必须争取和不得不妥协的性能，以便获得优先级较高的必要性能。不同的运算放大器，主要静态和动态特性组合有所不同：有的在一两种特性上表现卓越，而其他方面只是一般；有的则是在多数规格上整体表现“还不错”，可是单项性能可能并不很出色。那么，哪种更适合用于设计呢？

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答案依然是“看情况”，取决于设计的优先考虑因素和利弊权衡。用于评估基本运算放大器的参数众多，例如速度、电压偏移、偏置电流、温度漂移、带宽、噪声、耗散、增益、驱动能力、电压范围等。简而言之，不胜枚举。

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此外，若退一步纵观全局，就会发现与]

传感器接口的特性必定与带通滤波器、驱动负载或处理器]

<span]以 Analog Devices 的 AD5940 为例，这款特殊的 IC 可为化学实验室设备提供高精度阻抗和电化学前端（图 2）。AD5940 包含大量模拟和数字功能，但是模拟功能格外丰富，其规格均通过精心设计以兼容所支持的电化学传感器。

<span]该器件具有内部模数转换器 (ADC)，甚至提供用于内部管理的微控制器，但最为敏感的设计仍属实验室恒电位仪的专用电极接口，包括偏置电流几乎为零的运算放大器和可编程增益放大器 (PGA)。而通用 FPAA 的模拟功能通常不需要敏感特性。

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总结

尽管从理论上乍一看颇具吸引力，但事实却是通用模拟模块阵列无法满足许多应用的不同需求。这方面的妥协不可接受，即使在]

<span]对于大多数模拟设计，精心挑选一些（通常是不同的）最适合的 IC 用于信号链的各部分，才是更好的设计方法。好消息？信号链的各阶段均不乏不俗的选择。